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Rubrik: Science Life |
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Pflanzenwissenschaften Software macht Genaktivität sichtbar | |
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Sind Gene aktiv, lässt sich das messen. Doch was tun mit der wachsenden Datenmenge? ETH-Forscher haben in den letzten drei Jahren ein Instrument entwickelt, mit dem Wissenschaftler Daten aus Genexpressions-Experimenten online analysieren und bewerten können. Und das Tool wird immer ausgefeilter. Die Forschung dringt immer weiter vor bei der Entschlüsselung von Genen und Genomen. Während der letzten 15 Jahren wurden die Abfolgen der DNS-Basen von verschiedenen Lebewesen, darunter die des Menschen, bestimmt. Darauf aufbauend haben Forscher Techniken entwickelt, mit denen sie die Aktivitäten von Genen messen können. Mit Expressionsexperimenten beispielsweise können sie heute nachweisen, welche Gene unter bestimmten Bedingungen aktiv werden. Auf einem Genchip von einem Quadratzentimeter Fläche ist es unterdessen möglich, die Aktivität von bis zu 50'000 Genen festzuhalten. Doch diese Daten auszuwerten und sinnvoll einzuordnen, ist nach wie vor eine Herausforderung. Effizienter Datenzugang Philip Zimmermann, Oberassistent im Labor von Professor Wilhelm Gruissem am Institut für Pflanzenwissenschaften, und sein interdisziplinäres Team haben darauf eine Antwort: der Genevestigator (1), eine an der ETH entwickelte Software, die solche Chip-Daten sammeln und interpretieren kann. Seit kurzem ist die dritte, stark überarbeitete und erweiterte Ausgabe, der Genevestigator V3, im Internet aufgeschaltet worden. Die neue Version wurde in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Peter Widmayer aus dem Institut für Theoretische Informatik entwickelt. Tomas Hruz, Informatiker und Leiter der Software-Entwicklung in diesem Projekt, war verantwortlich für die Software-Architektur sowie für die Entwicklung von speziellen Algorithmen. Die neue Architektur erlaubt es täglich Tausenden von Benutzern, effizient Zugang zu den Chip-Daten zu erhalten. Im Prinzip ist der Genevestigator ein internetbasiertes Visualisierungsinstrument und eine Datenbank, die möglichst viele der bisher veröffentlichten Genexpressionsdaten von verschiedenen Lebewesen enthält. Mittlerweile deckt sie 6000 Chip-Datensätze von Maus und der Modellpflanze schlechthin, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, ab und soll bald um die Daten der Ratte, der Gerste und des Menschen erweitert werden. Bis Ende April dieses Jahres werden weitere 4000 Datensätze dazu kommen. Suche nach Stecknadel im Datenhaufen „Die Qualität der Daten ist uns sehr wichtig“, betonen die beiden Wissenschaftler Zimmermann und Hruz. Da die Chips aus vielen verschiedenen Labors stammten, müssten sie diese kontrollieren, um die schlechten auszusondern. „Mit statistischen Verfahren markieren wir schlechte Chips“, erklärt Zimmermann. Benutzende könnten wählen, ob sie alle Datensätze anschauen wollten oder nur die qualitativ guten. Das Programm erlaubt es den Forschern, die vorhandenen Daten sinnvoll zu ordnen, so dass sie erkennen, wann und unter welchen Umständen gewisse Familien von Genen aktiv sind. Genevestigator kann Hinweise geben, welche Gene in einem gewissen Entwicklungsabschnitt oder bei bestimmten Krankheiten aktiv sind. Damit können Wissenschaftler gezielt nach Markergenen suchen, beispielsweise um ein Herzinfarkt-Markergen aus dem Wust an Informationen aufzuspüren.
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„Die Suche nach Markergenen hat interessante Zusammenhänge zwischen einem Herzinfarkt und anderen Faktoren aufgezeigt“, sagt Zimmermann. Um solche Gene oder Zusammenhänge zu finden, sei Genevestigator das richtige Instrument. Handverlesene Stoffwechseldaten Der neue Genevestigator kann auch Gen-Cluster erkennen, also eine Gruppe von Genen, die unter bestimmten Umständen ähnlich reagierten. So ordnet die Software zum Beispiel Gene der Anatomie entsprechend an, so dass der Forscher mit einem Blick erkennt, in welchen Pflanzenorganen welche Gruppe von Genen aktiv war. Genevestigator kann aber auch ganze metabolische und regulatorische Stoffwechselwege darstellen. Die Software zeichnet Stoffwechselkarten als grosse Netzwerke von Reaktionen, die miteinander verbunden sind. Für die Programmierer um den Informatikverantwortlichen Tomas Hruz war dies eine grosse Herausforderung. Sie mussten dafür eigene Algorithmen erstellen. „Die Strukturen und Eigenschaften dieses Netzwerks haben grosse Ähnlichkeiten mit denen des Internets“ sagt der Informatikforscher. Zudem wurden alle in der Datenbank abgelegten Stoffwechselwege vom Biologen Oliver Laule mit grossem Aufwand anhand der Literatur überprüft. „Dadurch haben wir eine sehr hohe Qualität der Daten erreicht“, betont Zimmermann. Langfristig wollen er und seine Kollegen die Stoffwechselwege modellieren können. „Im Moment ist es aber noch vor allem ein Instrument zur Visualisierung“, sagt der ETH-Forscher. Für Publikationen lassen sich die Grafiken als Bild- oder Vektordateien herunterladen. Starke Ergänzung Genevestigator geht auf eine Idee von Philip Zimmermann zurück und startete 2004. „Ich fragte mich, wie wir diese Millionen von Messungen kombinieren müssten, damit ein Biologe rasch und einfach einen Überblick über die Aktivität von Genen bekommen kann“ erklärt er. Um Genevestigator zu planen und implementieren, war eine enge Zusammenarbeit von Biologen, Mathematikern und Computerwissenschaftlern nötig. Ab Januar 2004 entwickelte das Team eine erste Version und schaltete sie im darauf folgenden Juni auf. Seither hat das Genevestigator-Team das Instrument stetig weiter entwickelt und ergänzt. Die neue Version stellten die ETH-Forscher am 20. Februar 2007 als technischen Release ins Internet. Die Version mit neuen Daten und Organismen kommt Ende April aufs Netz. V3 basiert auf einem völlig neuen Datenbankmodell. Diese Neuorganisation ermöglicht es, fast unbegrenzte Datenmengen zu verarbeiten, und Genevestigator ist dadurch um beliebig viele Organismen erweiterbar. Vielzitierte Publikation Genevestigator ist ein Erfolg. Die Publikation von September 2004 über das Tool in "Plant Physiology", dem historisch wichtigsten Fachmagazin der Pflanzenwissenschaften, wurde bereits 300 Mal zitiert und zählt gemäss Zitationsindex zu der am dritt häufigsten zitierten Publikation dieser Zeitschrift der letzten 80 Jahren. (2) Auch das Interesse anderer Wissenschaftler steigt kontinuierlich. Im Oktober 2004 registrierte sich der 1000. Nutzer. „Seither sind die Nutzerzahlen linear gewachsen, obwohl wir eigentlich erwartet hätten, dass das Interesse irgendwann abflachen würde“, sagt Zimmermann. Mittlerweile hat die Datenbank 10'400 registrierte Nutzer, davon 8300 aktive. Die ETH Zürich hat das Projekt in den letzten beiden Jahren finanziell gefördert. Deshalb soll es vorerst ein Community Tool bleiben und Genevestigator Classic für Akademiker weiterhin gratis verfügbar sein. Ein Vertrieb von Lizenzen für Genevestigator Advanced nach der Aufschaltung von Ende April soll für eine nachhaltige Weiterentwicklung sorgen. Da etliche Funktionen von Genevestigator ebenfalls für industrielle Anwendungen sehr nützlich sind, haben bereits mehrere Pharmaunternehmen den Zugang zur Software lizenziert. |
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Fussnoten:
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