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Computomics: Ordnung im DNA-Buchstabensalat von Pflanzen

Dank der neuesten Generation der Sequenziertechnologie lässt sich das komplette Erbgut von Organismen immer schneller und billiger entschlüsseln. Die Herausforderung besteht darin, aus zig Millionen DNA-Schnipseln das Buch des Lebens zusammenzusetzen und ihm seine Geheimnisse zu entlocken. Das junge Bioinformatik-Unternehmen Computomics aus Tübingen tut genau dies für Nutzpflanzen. Denn anders als das menschliche Genom ist das Erbgut der meisten Pflanzen noch ein Buch mit sieben Siegeln.

Dr. Tobias Dezulian (l.) und Dr. Sebastian J. Schultheiß, beide Mitgründer und Geschäftsführer von Computomics, freuen sich über den gelungenen Start ihres Unternehmens. © Computomics

Computomics – in dem Namen verschmelzen Computer und Omics. Mit Omics fassen Biologen eine Reihe von Forschungsrichtungen zusammen, die alle mit -omics enden. So beschäftigt sich die Genomik zum Beispiel mit der gesamten Erbinformation, die Transkriptomik nimmt die Gesamtheit der abgelesenen und aktiven Gene unter die Lupe. Es könnte keine treffendere Bezeichnung für das geben, was das Tübinger Unternehmen anbietet. Die Geschäftsführer und Mitgründer Dr. Sebastian J. Schultheiß und Dr. Tobias Dezulian analysieren für Saatguthersteller und Pflanzenzüchter die Gesamt-Sequenzierdaten von Nutzpflanzen wie Mais, Weizen oder Melone, die mehrere Terabyte groß sein können.

Puzzleartig setzen die Bioinformatiker mittels moderner Computeralgorithmen zum Beispiel mehrere Millionen Schnipsel aus etwa einhundert DNA-Buchstaben in der richtigen Reihenfolge zum Genom zusammen – eine nicht ganz einfache Aufgabe, schließlich gibt es innerhalb des Erbguts viele Wiederholungen. Sie enthüllen, wo innerhalb der DNA-Buchstabenfolge die sinngebenden „Sätze“ und „Wörter“ liegen, sprich die Gene und ihre Exone, welche die Bauanleitung für Proteine enthalten. Auch epigenetische Marker lassen sich identifizieren (kleine Methylanhängsel, durch die die Umwelt die Aktivität von Genen reguliert), oder wie die Buchstabenfolge von individueller Pflanze zu Pflanze variiert.

Ein Blick in das Erbgut für resistentere Nutzpflanzen

Computomics hat sich auf die genetische Analyse von Saatgut – beispielsweise von Getreide, Reis oder Mais spezialisiert . © Computomics

„Wir liefern unseren Kunden Informationen, die sie brauchen, um ertragreiche Pflanzen zu züchten, die resistent sind gegenüber Trockenheit, Nährstoffmangel oder hoher Salzkonzentration, und geben Tipps, wie sie experimentell weiter vorgehen können, oder schlagen andere Sequenziermethoden vor, wenn die Daten nicht ausreichen“, erzählt Schultheiß. Natürlich könnten die Pflanzenzüchter ihre Sequenzierdaten auch selbst analysieren, wenn sie sich entsprechend einlesen, gibt der 31-Jährige zu. „Viele der Programme sind jedoch nicht dokumentiert, wir aber haben oft die direkte Verbindung zu den Entwicklern, an manchen waren wir selbst beteiligt“, sagt Schultheiß, „durch unseren wissenschaftlichen Hintergrund und unsere Routine können wir die Daten schneller analysieren.“

Der Bioinformatiker weiß, wovon er spricht. Schließlich hat er sich bereits während seiner vor ein paar Monaten abgeschlossenen Doktorarbeit am Friedrich-Miescher-Laborarorium der Max-Planck-Gesellschaft in Tübingen mit der Erbgutanalyse von Pflanzen und den verschiedenen Analyseprogrammen beschäftigt. Pflanzenzüchter aus aller Welt fragten regelmäßig an, ob die Analysen in wissenschaftlichen Studien nicht für ihre Pflanzen wiederholt werden könnten. „Wir haben gemerkt, dass es dafür einen Markt gibt“, berichtet der Jungunternehmer, der schon während der Studienzeit als selbstständiger Informatikdienstleister Unternehmensluft schnupperte und daran Gefallen fand.

Pflanzenwissen – ein Ass im Ärmel

Schultheiß und sein damaliger Hauptbetreuer, Professor Gunnar Rätsch, schlossen sich mit drei weiteren Professoren der Max-Planck-Institute und der Universität Tübingen zusammen, die sich ebenfalls mit Pflanzenbioinformatik beschäftigten – kurze Zeit später stieß noch Tobias Dezulian dazu. Die Idee zur Ausgründung war geboren. Im Oktober 2012 gründeten die sechs Computomics, das mittlerweile noch zwei Unternehmensberater und zwölf freie wissenschaftliche Mitarbeiter beschäftigt. Bis Ende des Jahres sollen noch drei weitere Mitarbeiter dazukommen, denn die Aufträge fließen und dürften auch so schnell nicht abebben.

Einen Trumpf halten die Gründer nämlich in den Händen: ihr pflanzenspezifisches Wissen. „Wir müssen dadurch in dem stark umkämpften Markt der bioinformatischen Dienstleistungen nicht teilnehmen“, freut sich Schultheiß. Denn auch wenn das Erbgut von Pflanze, Tier oder Mensch aus den gleichen Bausteinen aufgebaut ist und die Sequenziertechnologie die gleiche ist, dieses Wissen reicht nicht. „Man muss wissen, wie Kreuzungen funktionieren, wie man Resistenzgene einbaut oder Züchtungsmarker identifiziert“, erklärt Schultheiß.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Exon ist ein Bereich eines eukaryotischen Gens, der über die mRNA exprimiert wird (s.a. Intron) und ein funktionelles Protein entstehen lässt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Resistenzgene sind Gene, die vor allem bei Bakterien und Hefen auf Plasmiden lokalisiert sind und für Faktoren kodieren, die die Zellen, z. B. gegenüber Antibiotika oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. In der Mikrobiologie und der Gentechnik werden häufig Antibiotikaresistenzgene als selektive Marker für Vektoren verwendet, um deren Anwesenheit in einer Zelle zu überprüfen.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Exon ist ein Bereich eines eukaryotischen Gens, der über die mRNA exprimiert wird (s.a. Intron) und ein funktionelles Protein entstehen lässt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Resistenzgene sind Gene, die vor allem bei Bakterien und Hefen auf Plasmiden lokalisiert sind und für Faktoren kodieren, die die Zellen, z. B. gegenüber Antibiotika oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. In der Mikrobiologie und der Gentechnik werden häufig Antibiotikaresistenzgene als selektive Marker für Vektoren verwendet, um deren Anwesenheit in einer Zelle zu überprüfen.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/computomics-ordnung-im-dna-buchstabensalat-von-pflanzen/?prn=1