Seminarkurs 2000/01 Humangenetik Diskurs Naturwissenschaft

Die Genomforschung stellt die Wissenschaftler vor eine Herausforderung besonderer Art. Täglich werden riesige Datenmengen gewonnen, vor allem über die Bausteinfolge, die DNS-Sequenz von Erbmolekülen. Es gilt, die in den Sequenzdaten verborgenen Informationen wie einen Schatz zu heben und ihren biologischen Sinn zu entschlüsseln. Diese Informationsflut zu bewältigen fällt indessen schwer. Ein noch recht neuer Wissenschaftszweig, die Bioinformatik, spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Mit ihrer Hilfe versuchen die Genomforscher in der Bausteinfolge von Erbmolekülen Gene zu identifizieren und die Funktion der entsprechenden Proteine zu bestimmen. Letztlich wollen sie das Zusammenwirken sämtlicher Biomoleküle in gesunden und kranken Zellen verstehen.

Computergestützte Analysen haben den Molekularbiologen und Genomforschern bereits in den vergangenen Jahren bei der Suche nach Genen und deren Funktion wertvolle Hilfe geleistet. Die riesige Datenfülle ist zunächst sinnvoll zu strukturieren, um sie leichter analysieren zu können. Mit speziellen Suchprogrammen lassen sich Gene in den monoton erscheinenden Genomsequenzen anhand charakteristischer Muster finden. Andere Programme dienen dazu, aus einer Gensequenz die Aminosäurereihenfolge des entsprechenden Proteinproduktes abzuleiten. Aus den Strukturelementen bekannter Proteine versucht man schließlich, auf die mögliche Funktion eines bislang unbekannten Eiweißmoleküls zu schließen. Nicht zuletzt geht es darum, sämtliche in einer Zelle gebildeten Proteine zu erfassen. Auf diese Weise lassen sich Unterschiede etwa zwischen einer gesunden Zelle und einer Krebszelle erkennen. Auch für die Analyse resistenter Bakterien oder besonders gefährlicher Erreger-Varianten ist die Bioinformatik von großem Wert.

Die Verfahren der Bioinformatik sind noch nicht völlig ausgereift. So hat sich bei dem kleinen Fadenwurm Caenorhabditis elegans, dessen Erbgut unlängst vollständig entziffert wurde, gezeigt, dass nur etwa jedes zweite anhand der Erbgutsequenz bestimmte Protein völlig korrekt vorhergesagt war. Manche waren zu groß, andere zu klein, oder es handelte sich in Wirklichkeit um zwei Eiweißmoleküle. Mit den besten bislang zur Verfügung stehenden Suchprogrammen lassen sich die in eine Folge von Aminosäuren übersetzten Genabschnitte, die so genannten Exons, meist gut erkennen. Ganz zuverlässig ist der Suchvorgang aber noch nicht. Bereiche, die der Steuerung von Erbanlagen dienen, sind bislang nur schwer zu finden. Man kennt noch zu wenige charakteristische Strukturelemente dieser Genomabschnitte.

Erforderlich ist unter anderem eine noch leistungsfähigere Software. Auch neue Algorithmen sind zu entwickeln, die Daten unter völlig neuen Gesichtspunkten analysieren. So haben Genomforscher unlängst damit begonnen, anhand von Ähnlichkeiten in Stoffwechselwegen bestimmten Genprodukten eine physiologische Rolle zuzuschreiben. In den Vereinigten Staaten, in Europa und in Japan sind zentrale Datenbanken für Gene entstanden, die seit vielen Jahren sämtliche veröffentlichten Sequenzen sammeln. Das Europäische Molekularbiologische Laboratorium (EMBL) in Heidelberg hat seine Genbank vor einigen Jahren nach Hinxton in der Nähe von Cambridge/England in ein eigens dafür geschaffenes Zentrum verlagert. Die Europäische Union hatte im vergangenen Herbst beschlossen, dieses für die gesamte europäische Genomforschung wichtige Europäische Bioinformatik-Institut nicht länger zu finanzieren. Die Schließung des Instituts würde einen Zusammenbruch unzähliger biomedizinischer Forschungsaktivitäten zur Folge haben. Inzwischen ist Fotis Kafatos, der Leiter des EMBL, indessen wieder etwas optimistischer, dass die Forschungseinrichtung letztlich doch erhalten wird.

Außer den zentralen Datenbanken sind an Universitäten, akademischen Forschungsinstituten und in der Industrie zahlreiche spezialisierte Datenbanken zum Sammeln von Gensequenzen des Menschen, von Viren, Bakterien, Pflanzen und Tieren entstanden. Laufend entstehen weitere kleinere Datenbanken. Nicht zuletzt gibt es auch Datenbanken speziell für Proteine. Hierzu gehören das aus dem Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried ausgegliederte Martinsrieder Institut für Proteinsequenz sowie die Datenbank Swissprot in der Schweiz.

Angesichts der ständig wachsenden Datenfülle steigt die Nachfrage nach Bioinformatikern immer weiter. Alle Zentren, die sich wie das Max-Planck-Institut für mole-

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kulare Genetik in Berlin, das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, das Ressourcenzentrum des Deutschen Humangenomprojektes und viele andere mit Genomforschung befassen, sind derzeit dabei, spezielle Abteilungen für Bioinformatik einzurichten. Am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg besteht eine solche Abteilung schon seit mehreren Jahren. Doch der Nachwuchs an solchen Fachkräften ist rar. Sogar renommierte Institute wie das Martinsrieder Institut für Proteinsequenzen klagen über Nachwuchssorgen. Sobald die jungen Wissenschaftler Erfahrungen gesammelt haben, wandern sie in die Pharmaindustrie ab. Sie werden dort deutlich besser bezahlt.

Um dem Defizit zu begegnen und die Weiterentwicklung der Bioinformatik an den Universitäten zu fördern, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft im vergangenen Jahr eine Initiative Bioinformatik ins Leben gerufen. Sie hat für diesen Zweck fünfzig Millionen Mark für einen Zeitraum von fünf Jahren zur Verfügung gestellt. Bislang haben sich meist Molekularbiologen mit einem Hang für die Arbeit am Computer in diese Richtung spezialisiert. Viele Biologen bringen aber, was die Informatik betrifft, nicht die richtigen Voraussetzungen mit. Den klassischen Informatikern fällt es hingegen meist schwer, die Probleme der Biologen zu verstehen. Man hofft daher, mit einer neuen Generation speziell ausgebildeter Bioinformatiker die Lücke zu schließen.

An vielen deutschen Universitäten versucht man außerdem, die Bioinformatik als Studienfach zu etablieren. An der Universität Bielefeld gibt es einen solchen Studiengang schon seit zehn Jahren. Seit kurzem kann man Bioinformatik auch in Freiburg, Tübingen und Halle studieren. Fast ein Dutzend weiterer Universitäten ist auf dem Wege, ebenfalls einen Studiengang Bioinformatik anzubieten, so zum Beispiel in Berlin, Frankfurt am Main, Gießen und Leipzig. In Gießen wird als Erstes die Fachhochschule einen solchen Studiengang anbieten, später auch die Universität. Die Besetzung der Stellen bereitet jedoch aus Mangel an Fachkräften erhebliche Schwierigkeiten.

Die Pharmaindustrie hat ebenso große Pläne. Die Bioinformatiker sollen im Erbgut des Menschen möglichst schnell Gene identifizieren, die sich an bestimmten Krankheitsprozessen beteiligen. Die Proteinprodukte dieser Erbanlagen will man als Zielstrukturen für die Entwicklung neuer Medikamente nutzen. Die Firmen Motorola und IBM haben sich unlängst einem internationalen Konsortium von zwölf großen Pharmafirmen angeschlossen, um gemeinsam die Funktion menschlicher Gene zu entschlüsseln. IBM will unter anderem hundert Millionen Dollar speziell für die Strukturanalyse von Proteinen bereitstellen. Die Firma will einen neuen Supercomputer bauen, der bei den Proteinen funktionsbezogene Strukturelemente identifizieren kann. Manche junge Biotechnologiefirmen wie "Lion Bioscience" in Heidelberg haben sich ganz darauf spezialisiert, Bioinformatik als ein Produkt zu liefern. Sie bieten die Suche nach krankheitsrelevanten Genen Pharmafirmen als Dienstleistung an. Außerdem entwickeln sie neue Computerprogramme für die Suche nach den Genen und ihrer Funktion.

Die biologische Forschung unternimmt nun mit dieser Art Genomforschung den Versuch, die vielen in einer Zelle ablaufenden Reaktionen ganzheitlich zu erfassen. Rund ein Jahrhundert lang war es vor allem ihr Ziel gewesen, die Prinzipien von Lebensvorgängen zu verstehen. Man beschränkte sie sich auf die Analyse einzelner Teilschritte wie der Wirkungsweise von Enzymen oder das Speichern genetischer Information. Die Bioinformatik bietet jetzt die Chance, die verwirrende Fülle von Einzelvorgängen zu einem komplexen Bild zusammenzufügen.

BARBARA HOBOM

		Seminarkurs 2000/01 "Dolly und die Folgen" Eine Begegnung von Natur- und Geisteswissenschaft in Fragen der Humangenetik

Seminarkurs 2000/01

"Dolly und die Folgen"