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Das Gebiet der Bioinformatikanwendungen ist sehr breit und erlaubt unterschiedlichste Spezialisierung. Exemplarisch sind hier zwei Beispiele genannt:

Genexpressionsanalyse

Auf einem Analysechip können Molekularbiologen die Aktivität (sog. Expression) jedes einzelnen menschlichen Gens in einem einzigen Experiment bestimmen. Der dargestellte Chip ist in Wirklichkeit nur ca. 1,28 cm groß und enthält mehr als 1 Million einzelner Proben. Ein einziges Experiment liefert dabei ca. 175 MegaByte Daten.

Biologen und Bioinformatiker (natürlich auch Bioinformatikerinnen) können aus diesen Daten lernen, worin sich gesunde und kranke Zellen unterscheiden – und dann eine Therapie entwickeln. Die Abbildung zeigt den Vergleich der Genexpression in der Lunge von Rauchern und Nichtrauchern (Sie können sicherlich erkennen, welche der beiden Lungen von einem Raucher stammt?):

BIsml-Affy-Raucher

Neuraminidase-Inhibitoren als Arzneimittel gegen Grippe

Grippeviren, auch die der sog. Schweinegrippe, benötigen das Enzym Neuraminidase zu ihrer Vermehrung. Die Wirkung vieler heutiger Grippemittel beruht auf der Hemmung (Inhibition) dieses Enzyms.

In der Abbildung ist dieses Molekül schematisch dargestellt. Es ist ca. 6 nm groß (0,000006 mm) und kann deshalb nur mit Hilfe von Computersimulationen visualisiert werden.
In violetter Farbe ist das sog. Substrat erkennbar: Die chemische Substanz (hier die N-Acetylneuraminsäure), die im Körper an das Enzym bindet.

In Grün dargestellt ist die Bindung des Grippewirkstoffs Oseltamivir (Tamiflu), der mit Hilfe dieser dreidimensionalen Darstellungen entwickelt werden konnte. Das Molekül wurde perfekt in die Höhlung an der Enzymoberfläche eingepasst und "verstopft" diese: Das Enzym kann nicht mehr funktionieren.

Solche Erfolge sind natürlich nur dank der engen Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vieler Fachrichtungen möglich (z.B. Molekularbiologie und Chemie) – und der Bioinformatik.

BIsml-H1N1

Große Herausforderungen der Bioinformatik

Einige der spannendsten wissenschaftlichen Herausforderungen in den Life Sciences sind eng mit der Bioinformatik verknüpft. Es geht darum, unser Verständnis davon, wie „das Leben“ funktioniert, einen Schritt nach vorne zu bringen:

  • Integrative Datenanalyse ist notwendig, um die erlangten Erkenntnisse über unsere Gene (Genomics), über die Proteine (Proteomics) sowie über alle chemischen Substanzen im Körper (Metabolomics) zusammen in ein konsistentes Bild zu bringen.
  • Die sog. Systembiologie stellt Computermodelle auf, mit denen biologische Vorgänge in Zellen, Organen oder im ganzen Organismus simulier werden.
  • Arzneistoffdesign: Wissenschaftler konstruieren am Computer die Arzneistoffe von morgen. Dazu benötigen sie hochentwickelte 3-D-Computergrafik sowie innovative Software, die von Life-Science-Informatikern entwickelt wird.
  • In der synthetischen Biologie wird versucht, ganze Genome künstlich herzustellen und so am Reißbrett entworfene Lebewesen zu erschaffen. In einem spektakulären Fall ist dies im Mai 2010 geglückt („First self replicating synthetic bacterial cell“).

Figure 1, JCVI Figure 2, JCVI