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Bioinformatik: Die simulierte Zelle

Erstmals ist es gelungen, ein vollständiges Computermodell eines einzelligen Organismus zu erstellen. Das bietet einen neuen, überaus aufschlussreichen Einblick in die Mechanismen des Lebens und weist zudem den Weg zu innovativen Methoden der Krankheitsbekämpfung.
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Die Eingebung kam mir auf dem Fahrrad, am Valentinstag 2008. Während ich gemütlich von der Arbeit nach Hause radelte, brütete ich über einem Problem, das mich und viele Fachkollegen seit über einem Jahrzehnt beschäftigte: Könnten wir das Getriebe des Lebens – mit all seiner bewundernswerten, geheimnisvollen und Schwindel erregend komplexen Biochemie – mit dem Computer simulieren?

Unter dieser "Simulation des Lebens" verstehen wir ein Computerprogramm, das die Vorgänge in einer lebenden Zelle originalgetreu nachbildet – allen voran Ernährung, Wachstum und Fortpflanzung. Das Modell arbeitet dann korrekt, wenn es das gleiche Verhalten zeigt wie das natürliche Vorbild, insbesondere im zeitlichen Ablauf.

Schon ein lückenhaftes und ungenaues Modell würde die Biologie gewaltig voranbringen und ganz neue Perspektiven eröffnen: Wissenschaftler probieren die Ideen für ihre Experimente "im Trockenen" aus, bevor sie viel Zeit und Geld auf "nasse" Laborversuche verwenden. Arzneimittelentwickler setzen probeweise gewisse Moleküle außer Funktion und machen so diejenigen ausfindig, deren Ausfall der Bakterienzelle am meisten schadet. Im Labor konzentrieren sie sich dann auf Medikamente, die genau diese Moleküle hemmen, und lassen alle anderen außer Acht. Bioingenieure wie ich betreiben Gentechnik am Modell und stellen dadurch simulierte Mikroorganismen mit speziellen Eigenschaften her, zum Beispiel solche, die aufleuchten, wenn sie mit einem gewissen Virus infiziert werden, oder Bakterien, die Wasserstoff aus Erdöl herstellen können. Das ist nicht nur einfacher als echte Gentechnik, sondern auch risikoärmer: Simulierte Bakterien können nicht in die Umwelt entweichen. Und eines Tages können wir sogar ganze menschliche Zellen nachbilden und revolutionieren damit die medizinische Forschung. Denn viele Studien scheitern heute daran, dass manche Arten natürlicher menschlicher Zellen nicht kultiviert werden können. ...

Februar 2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Februar 2015

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  • Quellen

Freddolino, P. L., Tavazoie, S.: The Dawn of Virtual Cell Biology In: Cell 150, S. 248 - 250, 2012

Gonçalves, E. et al.: Bridging the Layers: Toward Integration of Signal Transduction, Regulation and Metabolism into Mathematical Models. In: Molecular Biosystems 9, S. 1576 - 1583, 2013

Isalan, M.: Systems Biology: A Cell in a Computer. In: Nature 488, S. 40 - 41, 2012

Karr, J. R. et al.: A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype. In: Cell 150, S. 389 - 401, 2012