Gentechnik Blitzanalyse aus Braunschweig
Das menschliche Genom gleicht einem gigantischen Puzzle. Bislang arbeiten Wissenschaftler bei seiner Entschlüsselung mit teuren Großrechnern, die trotz ihrer Leistungskraft tagelang mit einer einzigen Analyse beschäftigt sind. Grund ist die enorme Komplexität des menschlichen Genoms, das rund drei Milliarden der Nukleobasen C, T, G und A aneinander reiht. Manche Sequenzen tauchen mehrfach auf, andere Bereiche, so genannte Junk-DNS, scheinen keinerlei Funktion zu haben.
Dabei erweist sich die Gen-Entschlüsselung immer mehr als aussichtloses Unterfangen, denn die Entwicklung der Computerchips kann mit dem Zuwachs genetischer Rohdaten kaum mithalten. Der Genforscher Helmut Blöcker von der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung in Braunschweig schätzt, dass sich die weltweit verfügbaren Gen-Informationen etwa alle sechs Monate verdoppeln. Laut Moores Gesetz, einer nach wie vor gültigen Annahme über Mikrochips, verdoppelt sich die Zahl der Schaltkreise in Computer-Prozessoren hingegen nur alle 18 Monate.
Fünf Minuten für ein Genom
Blöcker und sein Kollege Gerhard Kauer wollen das Daten-Dilemma nun mit einer neuen Analysetechnik lösen, die sie in der Zeitschrift "Bioinformatics" vorstellen. Statt auf die herkömmliche, rechenintensive Statistik setzen sie auf Methoden aus Spracherkennung und Bildbearbeitung. Dazu wandeln sie die Folge von DNS-Bausteinen mit so genannten Fourier- und Wavelet-Tansformationen in eine Wellenfunkiton um.
In die Transformation fließen auch Strukturinformationen der DNS ein, die bei der herkömmlichen Analyse unter den Tisch fallen. Davon erhoffen sich die Forscher ganz neue Erkenntnisse, denn die Buchstabenfolge der Nukleobasen reicht nach ihrer Meinung zur Beschreibung von DNS allein nicht aus.
Die Übersetzung des menschlichen Genoms in eine Fourier-Kurve dürfte kaum mehr als fünf Sekunden dauern, schätzt Blöcker. Nötig sind dafür ein handelsüblicher PC sowie eine spezielle Steckkarte, die die Transformation übernimmt.
Die anschließende Analyse, etwa der Vergleich der Genome von Mensch und Maus oder die Suche nach bestimmten Sequenzen, könne dann "praktisch in Echtzeit" erfolgen, so Blöcker. "Für Bildbearbeitung und Spracherkennung hat man bereits eine ausgefeilte Mathematik entwickelt, mit der sich solche Wellenfunktionen gut untersuchen lassen", fügt Kauer hinzu. Man könne beispielsweise störendes Hintergrundrauschen herausfiltern und die wesentlichen Signale sichtbar machen. "Außerdem findet man Ähnlichkeiten, die sich beim Buchstabenvergleich nur äußerst schwer erkennen lassen."
Blöcker, der auch das deutsche Humangenom-Projekt koordinierte, vergleicht das Prinzip mit der elektronischen Stimmerkennung, die inzwischen auch Handys beherrschen: "Wenn Sie zweimal denselben Satz sagen, hört sich das nie exakt gleich an. Trotzdem lässt sie die Ähnlichkeit durch einen Signalvergleich erkennen."
Genforschung zum Discount-Preis
In einer ersten Anwendung ihres Verfahrens analysierten Blöcker und Kauer Mutationen der so genannten Hitze-Schock-Sequenz eines bestimmten Bakteriums. Ohne Zusatz-Hardware zur schnelleren Fourier-Transformation dauerte die Berechnung auf einer Workstation weniger als drei Minuten. Die Mutationen wurden zuverlässig identifiziert.
Der nächste Schritt ist das menschliche Genom. Die Braunschweiger Wissenschaftler erhoffen sich von ihrem Verfahren mittelfristig einen kräftigen Schub in der Genforschung. Weil die Technik so schnell und vergleichsweise preiswert ist, prophezeit Blöcker gar eine "Sozialisierung der Bioinformatik". Statt weniger Labore mit teuren Superrechnern könnten künftig viele kleinere Institute auf herkömmlichen PCs Gene entschlüsseln.
Feierabend-Forscher, die zu Hause selbst in Gensequenzen stöbern möchten, müssen jedoch vorerst weiter mit den Buchstabenfolgen der Basenpaare C, T, G und A vorlieb nehmen. Das Equipment zur Genom-Analyse mit der Braunschweiger Wellentechnik kostet derzeit noch 25.000 Euro.
