Bioinformatik: mathematische Modelle in der Molekularbiologie

Der Workshop richtet sich an die Schülerinnen und Schüler von Gymnasien und Gesamtschulen ab der Klasse 10.

Details zur Organisationsform des Workshops sowie eine Beschreibung der behandelten Thematik finden sie weiter unten auf dieser Seite.

Wo	Jugendbildungsstätte des Bistums Aachen
Wann	Montag, 21.10.2002 bis Freitag 25.10.2002 *Beginn* Montag 10.00 h, *Ende* Freitag 17.00 h
Kosten	365.00 euro
Leistung	Unterbringung, Vollverpflegung, ganztägige Workshops, Dokumentation
Anmeldung	mit dem Anmeldeformular können Sie sich verbindlich zu dem Workshop anmelden. Eine Anmeldung nur per e-mail ist nicht möglich. Das ausgefüllte Formular können Sie per fax unter 02104 - 80 10 74 an das TMSZ oder auch per Post senden.
Bestätigung	sobald sich die erforderliche Zahl der TeilnehmerInnen angemeldet hat, erhalten Sie unser Bestätigungsschreiben.
Rückfragen	bei Rückfragen stehen wir Ihnen gerne telefonisch unter 02104-12 688 oder per e-mail zepf@fermat.de zur Verfügung.

Bioinformatik in der Genomforschung

Was unterscheidet mich vom Affen? Warum gibt es blaue und braune Augen? Wieso werden Menschen krank? Wie kann man sie heilen? Die Antwort auf diese und viele andere spannende Fragen vermuten Wissenschaftler in unserem Erbgut. Keine Frage, die Erforschung des menschlichen Genoms ist eine der spannendsten und wahrscheinlich auch fruchtbarsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts.

Spannende Aufgaben bedeuten jedoch stets neue Herausforderungen und erfordern nicht selten neue wissenschaftliche Methoden. Die enorme Komplexität der in der Molekularbiologie anfallenden Problemstellungen bedingt eine interdisziplinäre Zusamenarbeit zwischen Molekularbiologen, Mathematikern und Informatikern.

Das so entstandene Gebiet der Bioinformatik unterstützt die Genomforschung sowohl deskriptiv als auch systematisch. Zum einen liefert und verifiziert es Modelle zur Erklärung experimenteller Daten. Zum anderen ermöglicht es aus experimentellen Daten neue Erkenntnisse zu gewinnen. Ohne diese gegenseitige Befruchtung wären neuere Erfolge wie die nahezu vollkommene Entschlüsselung des Erbguts eines Menschen wohl kaum möglich gewesen.

DNS-Sequenzierung

Bioinformatik ist folglich eine wissenschaftliche Disziplin, die mit den Methoden der Informatik, Statistik und Mathematik versucht, Fragen der molekularen Biologie zu beantworten. In der Regel handelt es sich um Fragen die eng mit der Genomforschung verquickt sind, also insbesondere um die DNS-Sequenzierung und die Genanalyse. Letztere beschäftigt sich mit der Bedeutung und dem Zusammenspiel der einzelnen Gene. Da dieses Gebiet allerdings noch recht weit in den Kinderschuhen steckt, liegt der Schwerpunkt des Workshops eher auf der DNS-Sequenzierung. Die Aufgabe der Sequenzierung ist es, das in der DNS eines Zellkerns abgelegte Erbgut zu lesen, d.h. die in der DNS kodierten Information zu dekodieren.

Ein Hauptproblem bei der Sequenzierung ist die unvorstellbare Größe der DNS, die mit mehreren Milliarden Basenpaaren zig Tausende von Genen kodiert. Eine direkte Analyse eines gesamten menschlichen DNS-Stranges mit herkömmlichen molekularbiologischen Methoden ist völlig utopisch. Typischerweise werden Teilstränge von einigen Hundert Basenpaaren direkt analysiert. Aus den gewonnenen Informationen muß dann auf den Gesamtstrang rückgeschlossen werden - ein Unternehmen von höchster kombinatorischer Brisanz.

Die bei der Sequenzierung zu lösenden Probleme sind in der Regel von einer solch hohen Komplexität, daß ein direktes Durchrechnen aller Möglichkeiten selbst mit modernsten Computern zum Scheitern verurteilt ist. Die häufigsten Methoden, dieser kombinatorischen Komplexität zu Leibe zu rücken, finden sich folglich im Entwurf von geschickten Algorithmen sowie oft auch in der Anwendung von geeigneten graphentheoretischen Darstellungsmitteln.

Workshop Organisation

Der Auftakt des Workshops wird durch eine Reihe von Einführungsvorträgen gestaltet, in denen die benötigten biologischen Begriffe eingeführt werden. Komplexe Konstrukte, deren molekularbiologische Behandlung den Rahmen dieses Workshops bei weitem sprengen würde, werden dabei nach einer kurzen biologischen Einführung durch geeignete Abstraktionen ersetzt. So werden wir Desoxyribonukleinsäure (kurz DNS) im weiteren Verlauf nicht als Verkettung von Eiweißen, Phosphor und Basen betrachten, sondern als eine Anordnung von vier verschiedenen Symbolen (A, C, G und T). Ebenso wird aus einem Enzym ein Operator, der auf einer Kette von Symbolen arbeitet, also z.B. eine Kette aufspaltet oder mit einer anderen Kette verbindet.

Im Anschluß an die Einführung werden kleine Gruppen, die sogenannten Projektteams, gebildet. Jedes Projektteam erhält eine Problembeschreibung, die sogenannte Projektmappe, die ein reales Problem bei der DNS-Sequenzierung erläutert. Aufgabe der einzelnen Projektteams ist es nun, durch mathematische Modellierung sowie anschließende Entwicklung und Implementation von geeigneten Algorithmen die in der Projektmappe beschriebene Aufgabenstellung zu lösen.

Dabei wird die in innovativen Industrieprojekten bewährte Matrixorginasation verwendet, um die einzelnen Projektteams mit dem nötigen Spezialistenwissen zu versorgen. D.h. es existiert nicht nur eine Aufteilung in verschiedene Projektteams, sondern auch eine Einteilung in fachliche Gruppen, die sogenannten Abteilungen. Matrixorganisation bedeutet in diesem Kontext, daß sich fachliche und projektspezifische Einteilung überlappen. Jedes Projektteam enthält also Spezialisten für Modellierung, Algorithmenentwurf und effiziente Implementation, die sich wiederum in den Abteilungen gemeinsam über Probleme, Methoden und Lösungen austauschen.