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.
Das IZBI wird von einem fünfköpfigen Vorstand aus Vertretern der Fakultäten für Mathematik und Informatik, der Fakultät für Biowissenschaften, Pharmazie und Psychologie, der Medizinischen Fakultät und der Leipziger Max-Planck-Institute geleitet. Professor Löffler ist wissenschaftlicher Direktor des IZBI.

Die Forschungsinhalte des Zentrums orientieren sich am strategischen Forschungsprofil der Universität Leipzig und gestalten es mit. Das IZBI ist im Profilbildenden Forschungsbereich 3 (PbF 3) „Molekulare und zelluläre Kommunikation: Biotechnologie, Bioinformatik und Biomedizin in Therapie und Diagnostik“, sowie PbF 2 („Mathematik in den Naturwissenschaften“) und PbF 6 („Veränderte Umwelt und Krankheit“) beteiligt.

Das IZBI konzentriert sich auf folgende Forschungsgebiete:

• Modellierung von biologischen Prozessen, regenerative Medizin: Die Modellierung von Lebensprozessen unter systembiologischen Gesichtspunkten ist eine wichtige Strategie, um deren Funktionsweise zu studieren, Experimente zu planen und biotechnologische Prozesse zu steuern. Eine Anwendung ist die regenerative 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: Die hochauflösenden in-vitro Mikroskopie (Ultraschall-, Infrarot-, in-vivo Elektronenmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie mit speziellen Labeling und Färbetechniken) erlaubt Untersuchungen mit zellulärer- und molekularer Auflösung. 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: Die Analyse von hochdimensionalen Genom-, Proteom- und Genexpressions- (d.h. Transkriptom-) Daten hat sich in den letzten Jahren als wichtigster Ansatz zur molekularen Charakterisierung und Abgrenzung von Krankheitsidentitäten entwickelt. 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 Zelle greift eine Vielzahl von Prozessen netzartig ineinander, wobei Wechselwirkungen zwischen molekularen Komponenten (Proteine, RNA, DNA usw.) eine entscheidende Rolle spielen. Neben den (Protein)-kodierenden Genen ist ein erheblicher Teil des Genoms höherer Organismen so genannter nicht-kodierender RNA (ncRNA) zuzuordnen ist. Die wahrscheinliche und teilweise bereits nachgewiesene Funktion bei Krankheitsprozessen macht besondere Anstrengungen zur Aufdeckung der Rolle von ncRNA notwendig, wobei insbesondere Microarray- und Sequenziertechnologien weiterentwickelt und eingesetzt werden. Der Schwerpunkt zielt u.a. auf die Entwicklung von adäquaten Analysemethoden für Mikroarrays der neuesten Generation.

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 Statististik 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 DFG-geförderte Bioinformatik-Initiative Leipzig.

Ergebnisse 2007

1. In Kooperation mit dem IMISE ist das IZBI mit dem Modul „Ontologiewerkzeuge“ (Leiter: Prof. 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. Das Projekt entwickelt Methoden, die im Rechner-Verbund zur Verfügung gestellt werden.
2. In zwei von der Deutschen Krebshilfe geförderten Projekten werden molekulare Ursachen von Krebserkrankungen (Malignes Lymphom und Gliom) untersucht (Projektleiter: Prof. M. Löffler). 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. Beide Projekte laufen in der zweiten Förderphase.
3. Ziel des BMBF-Projektes MSCartPro (Leitung Prof. Löffler, Dr. Galle) ist die Entwicklung eines Bioreaktors, der die kostengünstige, automatisierte Produktion von Gelenkknorpelersatzgewebe aus Stammzellen ermöglicht. Es kooperieren dabei Forschergruppen aus dem Biotechnologisch-Biomedizinischem Zentrum (BBZ, Prof. Bader, Reaktoren zum Wachstum von Geweben), der Physik (Prof. Käs, Zellelastizitätsmessungen; Prof. Grill, Ultraschallmikroskopie) und Biophysik (Dr. 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.
4. Im BMBF-Projekt HepatoSys (Dr. Drasdo) werden Fragen der Leberregeneration mit mehreren Kooperationspartnern unter systembiologischen Gesichtspunkten bearbeitet. Am IZBI werden Gewebsmodelle der Leber entwickelt.
5. Das Thema „Genexpressionsanalyse“ verbindet mehrere Forschergruppen der Leipziger Universität mit dem IZBI. Statistische Verfahren und Auswertstrategien werden gemeinsam mit dem IMISE (Prof. Löffler und Mitarbeiter) und dem IKIT (Prof. Horn) entwickelt. Das IZBI betreut gemeinsam mit der Core-Unit DNA-Technologien des IZKF (PD Dr. Krohn) GeneChip-Studien im Rahmen des Ostdeutschen Referenzzentrums für Mikroarraytechnologie.
6. In Kooperation mit dem IKIT (Prof. Horn) wurde ein Projekt zur zielgenorientierten Analyse von regulatorischen Gensets an Genexpressionsarrays in der Onkologie initiiert, welches über zwei Jahre am IZKF gefördert wird.
7. Das Thema „Computational Microscopy“ entwickelte sich sehr erfolgreich. Dr. Braumann leitet die Core Unit „Computational Microscopy“ am Translationszentrum für Regenerative Medizin, welche weiterhin am IZBI lokalisiert ist.
8. Mit dem Institut für Zoologie (Prof. Schlegel) und dem Institut für Informatik (Prof. 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. P. Stadler, Prof. M. Middendorf, Prof. M. Schlegel).
9. In 2007 erschienen 24 Publikationen aus dem IZBI in international referierten Journalen und 6 Buchbeiträge.