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Digitale Biologie

Wenn der PC das Leben repariert

20.06.2018
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Von Jennifer Evans, Berlin / Mit digitalen Daten heilen – nicht nur den Einzelnen, sondern ganze Ökosysteme: 80 Jahre nachdem der Erfinder Konrad Zuse die erste Rechenmaschine der Welt fertigstellte, nähern sich Wissenschaftler mithilfe von Computern den komplexen Prozessen des Lebens. Die Mathematik spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Der etwa eine Tonne schwere Z1 war weltweit der erste Digitalrechner. Seit Konrad Zuse seine berühmte Rechenmaschine erfand, ist viel passiert. Mittlerweile ist sogar die Biologie digital geworden. Tim Conrad, Professor für Bioinformatik an der Freien Universität Berlin und Mitglied des Zuse-Instituts Berlin, gab in seinem Vortrag in der Berliner Urania einen Überblick über den Stand seines Forschungsfelds und dessen aktuelle Perspektiven für Medizin, Arzneimitteltherapie sowie ganze Ökosysteme. Mathematische Algorithmen helfen immer mehr dabei, relevante Daten frühzeitig erkennen, um sich so komplexen Gesetzmäßigkeiten des ­Lebens zu nähern.

 

Präventive Medizin mit Algorithmen

 

Vereinfacht gesagt, beschäftigt sich Conrad mit dem Sehen, Verstehen, Messen und Analysieren biologischer Systeme. Oder anders ausgedrückt: Er überträgt analoge Biologie in digitale Formate, baut sie am PC nach und simuliert dann, welche Auswirkungen mögliche Veränderungen haben. Um das Arbeitsfeld anschaulicher zu machen, erläuterte der Wissenschaftler es anhand eines Fadenwurms. »Dessen 302 Neuronen sind vollständig entschlüsselt. Also jede Reaktion, jede Bewegung, jede Emotion und jede chemische Verbindung des vielzelligen Tiers ist gänzlich bekannt«, so Conrad. Das bedeutet, dass man jede dieser Informationen in digitale Codes für den Computer umwandeln kann. Ein Roboter kann diese Daten auslesen und schließlich den Wurm in jeder seiner Bewegungen und Emotionen nach­ahmen. Werden nun am PC einzelne Codes verändert, simuliert der Roboter exakt, wie der Fadenwurm nach dieser Veränderung reagieren würde. »Indem wir beobachten und verstehen können, was passiert, wenn an bestimmten digi­talen Stellschrauben gedreht wird, können wir letztlich Defekte im bio­logischen System reparieren«, sagt Conrad. Ziel sei es, auf diese Weise neuartige präventive Medizin zu schaffen, frühzeitig Krankheiten zu diagnostizieren und individuelle Arzneimitteltherapien zu entwickeln.

 

Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg. Conrad betont: »Es reicht nicht, einzelne Verbindungen eines Lebe­wesens auf Zellebene aufzuschlüsseln, sondern man muss auch den Kontext berücksichtigen.« Bei Ratten beispielsweise sei bereits festgestellt worden, wie stark sie von ihrer Umgebung beeinflusst sind. »Ist das soziale Umfeld einer Ratte oft krank, hat auch sie selbst mit hoher Wahrscheinlichkeit ein schwaches Immunsystem.« Komplexer noch wird es beim Menschen.

 

Zunutze macht sich die Wissenschaft in diesem Arbeitsfeld zum Beispiel die sogenannte Super-Resolution-Microscopy, ein äußerst präzises Fotosystem, das sich ständig weiter­ent­wickelt und immer bessere Bilder liefert. »Damit lassen sich verschiedene Bestandteile einer Zelle genau beobachten«, so Conrad. Die so gewonnenen Fotos allein können die komplexen Prozesse des Lebens aber noch nicht erklären. Bei höheren Lebewesen kennt laut Conrad niemand die Regeln, nach denen die Teilchen sich bewegen, reagieren oder miteinander kommunizieren. So könne etwa dasselbe Molekül – je nach seiner Position im mensch­lichen Körper – zwei ganz unterschiedliche Funktionen haben: »Im Auge kann es für Lichtreize zuständig sein, im Fuß für die Druckempfindlichkeit.« Durch die ständige Beobachtung der Zellen sowie des Einflusses, dem sie durch Prädisposition, Umwelteinflüsse und soziale Beziehungen ausgesetzt sind, wollen die Forscher sich diesen Regeln nähern.

 

Auf die Sorge der Zuhörer, ob schon bald der Mensch auf diese Weise gänzlich entschlüsselt sein könnte, reagiert Conrad gelassen: Es gebe 100 Billionen menschliche Zellen und insgesamt 3,2 Milliarden DNA-Basenpaare. Und in jeder Zelle liefen rund 60 000 Reak­tionen pro Minute ab. »Bis die Netzwerke begriffen haben, wie die Zellen funktionieren, Signale weiterleiten und ­welche Veränderungen letztlich welche Wirkung nach sich ziehen, vergehen sicher noch einige Jahrzehnte.«

 

Die Bilder der Super-Resolution-Microscopy sind allerdings nicht die einzige Daten-Flut, die im medizinischen ­Bereich auf uns zurollt. Conrad erwartet einen riesigen ­Daten-Tsunami aus DNA-Sequenzen, biologischen Daten zu Krankheitsmechanismen, klinischen Studien und pharmazeutischen Erkenntnissen. Als Mathematiker sieht er in Big Data deutlich mehr Vor- als Nachteile. »Auf diese Weise können wir sehr viel über das Gesamtsystem des Menschen ­lernen.« Das Wichtige dabei sei, relevante Informationen frühzeitig herauszufiltern.

 

Hier kommt die Mathematik ins Spiel: Mithilfe von Algorithmen gelingt es heute, aus Milliarden von Variablen jene Daten herauszufiltern, die etwa bei der Früherkennung von Krankheiten eine Rolle spielen. Das Neue ist dem Wissenschaftler zufolge, dass dieses Filtern bereits passiert, während die Informationen in den PC eingespeist werden. Damit werden überflüssige Daten vorzeitig aussortiert und müssen gar nicht erst gespeichert und analysiert werden, eine der großen Stärken einer solchen Analyse. »Die Algorithmen ­finden schließlich die kleinen, oft unscheinbaren Happen, in denen der entscheidende Hinweis steckt.«

 

Patientenspezifisch therapieren

 

Digitale Biologie und Big-Data-Analysen unterstützen die Auswertung umfangreicher medizinischer Studien. In Kombina­tion mit mathematischen Algorithmen werden die Ergebnisse mittlerweile noch genauer. So können etwa körper­liche Bewegungsabläufe in digitale Signale umgesetzt werden, um Gelenke zu simulieren. Die so gewonnenen ­Daten dienen dazu, künstliche Gelenke zu präzisieren. Mit­hilfe stochastischer Modelle lässt sich sogar im Vorfeld auf pharmakologische Interventionen schließen, um Therapien patientenspezifisch zu optimieren. Und über die digitale Erfas­sung eines Bluttropfens können individuelle Wirkstoffberechnungen erstellt werden. Allein aus einem einzigen Tropfen Blut lassen sich nach Conrads Angaben Milliarden Signale ablesen, die idealerweise Muster ergeben, aus denen wiederrum »der persönliche Fingerabdruck einer Krankheit« erkennbar wird. Dabei ist unter anderem die Proteinaktivität einer Zelle ausschlaggebend. Erkenne man darin unterschiedliche Muster zwischen kranken und gesunden Menschen, ließen sich so Rückschlüsse auf die Mechanismen ­einer Krankheit ziehen. Die digitale Analyse helfe ebenfalls dabei, neue Arzneimittel zu entwickeln.

 

Conrad betont, dass seine Arbeit nur mit einem interdis­ziplinären Team funktionieren kann. Darin liege der große Gewinn, aber auch die große Herausforderung. Die Frage ­eines Zuhörers, ob sich in dem Team auch jemand mit ethischen Fragen auseinandersetze, bejahte er. Für den Mathematiker steht allerdings im Vordergrund, die Netzwerke des Lebens zu verstehen. Über Bilder und Daten von Molekülen erschlösse sich immer mehr ihr Zusammenspiel und schließlich auch Zusammenhänge auf größeren Ebenen, beispielsweise Zellen, Gewebe, Organsysteme und Organsimen bis hin zu ganzen Ökosystemen. »Die Mathematik ist das Werkzeug, das es möglich macht, zu simulieren, zu visualisieren, einen Ausfall künstlich nachzubauen und letztlich Fehler in einem biologischen System zu reparieren«, ist Conrad überzeugt. /

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