Interdisziplinären Zentrum für Bioinformatik (IZBI)

Forschungstätigkeit am Zentrum

Das IZBI ist ein institutionelles Zentrum der Universität Leipzig, dessen Infrastruktur anteilig aus Dritt- und Haushaltsmitteln finanzierte wird. Das Zentrum arbeitet in eigenen Räumen und verfügt über ein eigenes Wissenschaftler-Team und Administration.
Die Forschungsinhalte des Zentrums orientieren sich am strategischen Forschungsprofil der Universität Leipzig und gestalten es mit. Das IZBI ist an vier von sechs Profilbildenden Forschungsbereichen der Universität beteiligt.

Das IZBI konzentriert sich auf folgende Forschungsgebiete:

• Modellierung von biologischen Prozessen, regenerative Medizin: Die Modellierung von Lebensprozessen unter systembiologischen Gesichtspunkten ist eine zunehmend an Bedeutung gewinnende Strategie, um deren Funktionsweise zu verstehen, Experimente zu planen und auch um biotechnologische Prozesse zu steuern. Letztere Anwendung hat besondere Bedeutung in der regenerativen Medizin, z.B. bei der Konditionierung von Bioreaktoren zur Gewebszüchtung. Modelliert werden Mechanismen und Prozesse der Genregulation sowie die intrazelluläre Signalverarbeitung, Zelldifferenzierung und die Selbstorganisation von Geweben.
• Computational Microscopy: Derzeit vollzieht sich eine technologische Revolution in der hochauflösenden in-vitro Mikroskopie mit einer Vielzahl von Techniken (Ultraschall-, Infrarot-, in-vivo Elektronenmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie mit speziellen Labeling und Färbetechniken), die Untersuchungen mit zellulärer- und molekularer Auflösung erlauben. Damit wird es möglich, zu einer Gewebeprobe verschiedene Bildmodalitäten mit komplementärem Informationsgehalt zu gewinnen. Die vergleichende Analyse der Daten stellt große Anforderungen an die Bildverarbeitung und an weitere informatische Methoden zum Vergleich mit Befunden der molekularen Diagnostik (siehe nächster Punkt).
• Molekulare Medizin/Computational Diagnostics: Die molekulare Charakterisierung und Abgrenzung von Krankheitsidentitäten durch die Analyse von genomischen, proteomischen, Genexpressions- und immunohistochemischen Daten gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die in der Regel von mehreren Partnern im Rahmen von großen Forschungsverbünden erhobenen Daten bedürfen des Managements und der konzertierten Auswertung, für die das IZBI geeigneten technologische Plattformen (Datenbanken mit integrierten Analyseprogrammen und -algorithmen) entwickelt und zur Verfügung stellt. Die hochdimensionale Struktur der Daten erfordert die Anwendung qualifizierter statistischer Data-Mining-Verfahren, die das biologische Problem, z.B. bei der genomischen Regulation (siehe nächster Punkt), adäquat abbilden.
• Interactomics und nicht-kodierende RNA: Bei der Regulation der Genaktivität der Zelle greift eine Vielzahl von Prozessen netzartig ineinander. Wechselwirkungen zwischen verschiedenen molekularen Komponenten (Proteine, RNA, DNA usw.) spielen dabei eine entscheidende Rolle. Die Aufklärung der Wirkmechanismen ist ein zentraler Schlüssel zum Verständnis der Zellfunktion. Es wird dabei zunehmend klar, dass neben den (Protein)-kodierenden Genen ein erheblicher Teil des Genoms so genannter nicht-kodierender RNA zuzuordnen ist. Diese hat eine im Detail weitgehend unbekannte, aber potenziell große Bedeutung bei der Genregulation. Die wahrscheinliche und teilweise bereits nachgewiesene Funktion bei Krankheitsprozessen macht besondere Anstrengungen zur Aufdeckung der Rolle nicht-kodierender RNA notwendig. Moderne Microarraytechnologien erlauben einerseits Hochdurchsatz-Untersuchungen zu den genannten Fragestellungen, stellen jedoch auf Grund einer Reihe ungeklärter Fragen eine erhebliche methodische Herausforderung dar. Die Aktivitäten des Schwerpunkts zielen deshalb auch auf die Entwicklung von adäquaten Analysemethoden für Mikroarrays der neuesten Generation (tiling Arryas, SNP-Arrays, Exon-Arrays).

Unter methodischen Gesichtspunkten werden am IZBI folgende Schwerpunkte gesetzt:

• Vergleichende Sequenzanalysen zur Identifizierung spezifischer funktioneller Abschnitte des Genoms.
• Informatische Analysemethoden für mikroskopische Bildgebungsverfahren.
• In-silico Simulation und mathematische Modellierung der Zelldifferenzierung- und Gewebsbildung in Zeit und Raum.
• Multivariate Statistik und deterministische Modelle zur Analyse hochdimensionaler molekularbiologischer Daten.
• Warehousing, Integration und Dokumentation biologischer und medizinischer Daten.
  Das IZBI kooperiert eng mit dem von Professor Stadler geleiteten Lehrstuhl für Bioinformatik (Fakultät für Mathematik und Informatik). IZBI und Lehrstuhl für Bioinformatik bilden gemeinsam die bis 2006 DFG-geförderte Bioinformatik-Initiative Leipzig.
  Ergebnisse 2006

(1) Eine Kernmannschaft des IZBI wird nach Auslaufen der DFG-Finanzierung 2006 auf Beschluss des Rektoratskollegiums der Universität für weitere 3 Jahre haushaltsfinanziert. Grundlage des Beschlusses ist die Erfüllung einer 2004 geschlossenen Zielvereinbarung, die eine Drittmitteleinwerbung von mindestens acht Wissenschaftlerstellen vorgab.
(2) In Kooperation mit dem IMISE ist das IZBI mit dem Modul „Ontologiewerkzeuge“ (Leiter Prof. Dr. Erhard Rahm) an dem BMBF-gefördertem Verbundprojekt MEDIGRID beteiligt. Das Ziel des Verbundes ist es, GRID-Dienste in der biomedizinischen Forschung zu entwickeln und anzuwenden. Unter Anderem werden hochkomplexe Daten unter Nutzung der Ressourcen vernetzter Rechentechnik ausgewertet und interpretiert. Ontologien, d.h. abgestimmte Vokabularien, sind eine wichtige Voraussetzung für den Wissensaustausch. Das Projekt entwickelt dazu Methoden, die im Rechner-Verbund zur Verfügung gestellt werden.

(3) In zwei von der Deutschen Krebshilfe geförderten Projekten werden molekulare Ursachen von Krebserkrankungen (Malignes Lymphom und Gliom) untersucht (Projektleiter: Prof. Markus Löffler, Prof. Dr. Erhard Rahm). In den interdisziplinären Vorhaben übernimmt das IZBI bioinformatische Analysen von Genexpressions- und Matrix-CGH-Daten, sowie den Aufbau und die Pflege einer Datenbank, in der die Kooperationspartner histologische und molekulare Befunde hinterlegen, analysieren und austauschen.

(4) In 2006 startete das mit insgesamt 1,6 Mill. Euro über 3 Jahre geförderte BMBF-Projekt MSCartPro (Monitoring and Steering of Cartilage Production) unter Federführung des IZBI (Prof. Dr. Markus Löffler, Dr. Angela Galle). Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Bioreaktors, der die kostengünstige, automatisierte Produktion von Gelenkknorpelersatzgewebe aus Stammzellen des jeweiligen Patienten ermöglicht. Es kooperieren dabei Forschergruppen aus dem Biotechnologisch-Biomedizinischem Zentrum (BBZ, Prof. Dr. Augustinus Bader, Reaktoren zum Wachstum von Geweben), der Physik (Prof. Dr. Josef A. Käs, Zellelastizitätsmessungen; Prof. Dr. Wolfgang Grill, Ultraschallmikroskopie) und Biophysik (Dr. Jürgen Schiller, MALDI-TOF Analytik). Am IZBI werden einzelzellbasierte Computermodelle entwickelt, die für die Gewebsbildung relevante Faktoren systematisch untersuchen und damit die Voraussetzung für die gezielte Steuerung der Knorpelregeneration liefern sollen.

(5) Gemeinsam mit Professor Hengstler (Pharmazie) ist das IZBI am BMBF-Projekt HepatoSys (Dr. Dirk Drasdo) beteiligt. Fragen der Leberregeneration werden dabei unter systembiologischen Gesichtspunkten bearbeitet. Am IZBI werden Gewebsmodelle der Leber entwickelt.

(6) Die Thematik „Genexpressionsanalyse“ verbindet mehrere Forschergruppen der Leipziger Universität mit dem IZBI. Statistische Verfahren und Auswertstrategien werden gemeinsam mit dem IMISE (Prof. Dr. Markus Löffler und Mitarbeiter) und dem IKIT (Prof. Dr. Friedemann Horn) entwickelt. Das IZBI betreut gemeinsam mit der Core-Unit DNA-Technologien des IZKF (PD Dr. Knut Krohn) GeneChip-Studien im Rahmen des Ostdeutschen Referenzzentrums für Mikroarraytechnologie.

(7) In Kooperation mit dem IKIT (Prof. Dr. Friedemann Horn) wurde ein Projekt zur Zielgenorientierten Analyse von regulatorischen Gensets an Genexpressionsarrays in der Onkologie initiiert, welches über zwei Jahre am IZKF gefördert wird.

(8) Das Thema „Computational Microscopy“ entwickelte sich sehr erfolgreich. Dr. Braumann übernahm die Leitung der Core Unit „Computational Microscopy“ am Translationszentrum für Regenerative Medizin, welche weiterhin am IZBI lokalisiert ist.

(9) Mit dem Institut für Zoologie (Prof. Dr. Martin Schlegel) und dem Institut für Informatik (Prof. Dr. Martin Middendorf) besteht eine enge Kooperation zum Thema der Stammbaumrekonstruktion und Populationsgenetik in komplexen biologischen Systemen. An dem von der Europäischen Union geförderten europaweiten Verbundprojekt „Emergent organisation in complex biomolecular systems (EMBIO)“ sind 9 Partner beteiligt. In dem Vorhaben werden die Organisationsprinzipien komplexer biologischer Systeme erforscht (Projektleiter Prof. Dr. Peter Stadler, Prof. Dr. Martin Middendorf, Prof. Dr. Martin Schlegel).

(10) In 2006 erschienen 15 Publikationen aus dem IZBI in international referierten Journalen und 6 Buchbeiträge.