CompuGene

CompuGene

Computer sollen den Entwurfsprozess in der synthetischen Biologie beschleunigen

In dem interdisziplinären Forschungsprojekt CompuGene erforschen Elektro- und Informationstechniker und Biologen der TU Darmstadt gemeinsam genetische Schaltkreise und deren nach ingenieurswissenschaftlichen Maßstäben computergestützte Modellierung. Ziel ist es, das Verhalten von Biomolekülen durch computergestützte Modellierung soweit zu beschreiben, dass daraus völlig neue, robuste Schaltkreise abgeleitet werden können.

 
Prof. Heinz Koeppl leitet das Fachgebiet Bioinspirierte Kommunikationssysteme am Fachbereich etit. Bild: Sandra Junker
Prof. Heinz Koeppl leitet das Fachgebiet Bioinspirierte Kommunikationssysteme am Fachbereich etit. Bild: Sandra Junker

Am Institut für Bioinspirierte Kommunikationssysteme (BCS) des Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Darmstadt forschen seit 2013 Wissenschaftler unter Leitung von Prof. Heinz Koeppl an technischen Problemen und deren, durch die Natur inspirierten, Lösungen. Das Ziel der Forscher: Neue wissenschaftliche Methoden und Instrumente zu entwickeln und Kommunikationssysteme zu erforschen, welche die Natur bereits im evolutionären Prozess vollendet hat. Biologische Kommunikationssysteme weisen eine hohe Komplexität bei gleichzeitiger Robustheit auf und sind daher besonders interessant.

Für die Wissenschaftler am BCS bietet sich im Projekt CompuGene die Möglichkeit, einer benachbarten Disziplin unter die Arme zu greifen und dabei neue Erkenntnisse zu gewinnen: Die Synthetische Biologie als Naturwissenschaft entwickelt neuartige molekulare Systeme, welche in dieser Form in der Natur noch nicht vorkommen und innovative und praktische Eigenschaften besitzen. Anwendungen in der Biotechnologie und im Biocomputing werden anvisiert.

 

Systematisches computergestütztes Verfahren löst Trial-and-Error ab

Für die Biologen ergibt sich jedoch ein schwerwiegendes Problem bei der Arbeit im Labor: Die dafür benötigten genetischen Schaltkreise, also spezifische Gene und die in der richtigen Kombination dazugehörigen Regulationseinheiten, müssen bislang in einem aufwändigen und langen „Trial-and-Error“-Verfahren erprobt und erforscht werden. Hier kommen die Elektro- und Informationstechniker ins Spiel. Sie lösen dieses Verfahren durch einen neuen systematischen computergestützten Ansatz ab.

Bild: Sandra Junker
Bild: Sandra Junker

Durch eine computergestützte Modellierung von genetischen Schaltkreisen und deren Funktionieren in der Zelle soll der Aufwand in der Entwicklung, deutlich reduziert werden. Bevor am Computer modelliert und entworfen wird, werden zunächst die Rohdaten zur Funktionsweise der Biomoleküle und der genetischen Schaltkreise gesammelt. Zum Einsatz kommen Methoden der Systemidentifikation, mit denen sich die dynamischen, stochastischen Modelle der Schaltkreise kalibrieren lassen. Stehen kalibrierte Modelle von Einzelkomponenten zur Verfügung, können durch deren Verknüpfung neue Schaltkreise am Computer entworfen und hinsichtlich ihrer Robustheit evaluiert werden.

 

Zielgerichtetere Entwicklung von genetischen Schaltkreisen

Die von den Elektro- und Informationstechnikern entwickelten genetischen Schaltkreismodelle können dann in einem zweiten Schritt von den Biologen im Labor überprüft und angepasst werden. Ob und wieweit eine computergestützte Modellierung der genetischen Schaltkreise in der Praxis trägt, hängt dabei auch davon ab, ob die Biomoleküle und ihre Interaktion bereits ausreichend charakterisiert wurden.

Bild: Sandra Junker
Bild: Sandra Junker

Die Zusammenarbeit beschränkt sich aber nicht nur auf den reinen Datenaustausch: „Wir werden die Modellbildung schon bei der Konzeption der Experimente berücksichtigen. Computeralgorithmen brauchen andere Daten als Biologen“, so Professor Koeppl. Neben der Modellierung von genetischen Schaltkreisen wollen die Forscher auch die inhärente Variabilität von genetischen Schaltkreisen und deren zugrundeliegenden Mechanismen erfassen. Dadurch würde sich die Möglichkeit bieten, Auswirkungen dieser Variabilität vorherzusagen und somit zielgerichteter Schaltkreise zu entwickeln. Das Forschungsprojekt wird bis 2018 durch das Land Hessen im Rahmen der Landesoffensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE) mit rund 4,4 Millionen Euro gefördert.


Hagen Schmidt