Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?

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Kann man Leben berechnen?
Systembiologie zum Kampf gegen Infektionen
Dieter Jahn, Institut für Mikrobiologie,
TU Braunschweig
MINT Fachtagung, 25.2.2016
Was ist Systembiologie?
Leben berechnen!
Berechenbare Natur?
Physik
Chemie
Mathematik
Berechenbare Natur?
Berechenbare Physik und Chemie als
Grundlage der Ingenieurwissenschaften
Berechenbare Natur?
Systembiologie – „Leben berechnen“!
Modell
Dynamischer Auftrieb
Auftriebswert:
Strömungswiderstand:
Simulation
Experiment
Berechenbare Natur?
Systembiologie – „Leben berechnen“!
Modell
Bakterielles Wachstum
Michaelis-Menten-Kinetik
Simulation
Experiment
Berechenbare Natur – welche Daten benötigen wir?
Was steuert eine lebende Zelle?
A
Gen
mRNA
Protein
B
Systembiologie:
1. Messen (Experimente)
2. Modellieren (Informatik)
3. Überprüfen (Experimente)
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Informationsfluss in
einer Zelle
Stoff 1
Botschaft
Speicher
DNA
Abschrift
(Gen)
Zellulärer
Akteur
Stoff 2
Übersetzer
….so „denkt“ eine Zelle!
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Systembiologie
Metaboliten
Speicher
Gene
Transkription
Botschaft
mRNAs
Produkt
Proteine
Metaboliten
Genom
Transkriptom
Proteom
Bioinformatik
Modell!
Metabolom
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Genomics
Illumina
270.000.000 DNA Stücke pro Lauf
Bis 100 bp pro Stück
27.000.000.000 bp/ Lauf
6 Tage Laufzeit
PacBio
50.000 DNA Stücke pro Lauf
Bis 30.000 bp pro Stück
1.500.000.000 bp/ Lauf
3 Std Laufzeit
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Genomics
Bioinformatik für das
Genompuzzle
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Genomics
C. ruddii (Endosymbiont)
M. genitalium (Bakterium)
E. coli (Bakterium)
S. cerevisiae (Hefe)
C. elegans (Wurm)
A. thaliana (Ackerschmalwand)
B. oleracea (Kohl)
Mensch
L. paradoxa (Lungenfisch)
Psilophytopsida (Urfarne)
160.000 bp
580.000 bp
4.654.000 bp
12.500.000 bp
97.000.000 bp
115.000.000 bp
700.000.000 bp
2.699.000.000 bp
80.000.000.000 bp
1.000.000.000.000 bp
182 Gene
600 Gene
4500 Gene
6.000 Gene
19.000 Gene
25.500 Gene
100.000 Gene
25.000 Gene
? Gene
? Gene
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Informationsfluss in
einer Zelle
Stoff 1
Botschaft
Speicher
DNA
Abschrift
(Gen)
Zellulärer
Akteur
Stoff 2
Übersetzer
….so „denkt“ eine Zelle!
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Transkriptomics
Transkriptom:
Gesamtzahl aller
RNAs einer Zelle
Technik 1:
DNA Micro Array
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Transkriptomics
Transkriptom:
Gesamtzahl aller
RNAs einer Zelle
Technik 1:
DNA Micro Array
Technik 2:
RNAseq
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Informationsfluss in
einer Zelle
Stoff 1
Botschaft
Speicher
DNA
Abschrift
(Gen)
Zellulärer
Akteur
Stoff 2
Übersetzer
….so „denkt“ eine Zelle!
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Proteomics
Proteom: Gesamtheit aller Proteine einer Zelle
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Proteomics
Proteom: Gesamtheit aller Proteine einer Zelle
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Informationsfluss in
einer Zelle
Stoff 1
Botschaft
Speicher
DNA
Abschrift
(Gen)
Zellulärer
Akteur
Stoff 2
Übersetzer
….so „denkt“ eine Zelle!
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Metabolomics
Metabolom: Gesamtheit aller Metaboliten einer Zelle
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Metabolomics
Metabolom: Gesamtheit aller Metaboliten einer Zelle
Berechenbare Natur - welche Daten benötigen wir?
Omics
Major
Massenspektrometer
Berechenbare Natur durch Systembiologie
Genetische
Manipulation
Umweltparameter
Definiertes
Wachstum
Validierung
Transkriptom
Proteom
Metabolom
Datenbanken
Vorhersagen
Simulationen
Modelle
Bioinformatik
Software
Werkzeuge
BRICS: Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology
Gemeinsames Zentrum von TU Braunschweig und HZI
TU Braunschweig
Infektionen und Wirkstoffe
Helmholtz-Zentrum (HZI)
Infektionsforschung
BRICS
Mikroorganismen
in Infektion und Biotechnologie
BRICS: Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology
Vertragsunterzeichnung am 27.Oktober 2011
Grundsteinlegung am 26. August 2013
BRICS: Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology
1. Juni 2016
Einweihung
BRICS: Forschung
• Clostridien – die neue mikrobielle Bedrohung
• lebensgefährlichen Durchfall
• 200 Fälle pro Jahr in Braunschweig
• lebensgefährlich, wenn gesunde Darmflora
geschwächt ist – nach Antibiotikabehandlung
• 8000 Tote pro Jahr in Deutschland
BRICS: Forschung
Patient
• Clostridien – der systembiologische Ansatz
Biotechnologie
Arzt
Info
Clostridum
Wirkstoff
Info
Therapievorhersage
Modellieren
Bioinformatik
Modell
Info
Datenbanken
Modernste molekulare
Analyse (Omics)
BRICS: Forschung
• Verbundprojekt CDiff – Systembiologie von
Clostridien
 Welche molekularen Tricks benutzt das Bakterium?
 Wichtige Gene, Eiweiße, Stoffwechselprodukte?
 Wo kommen sie her und wie verbreiten sie sich?
 Modell Mensch – Clostridien Interaktion
 Aus Modell: gezielte Therapie
 Therapeutikum biotechnologisch herstellen
Zusammenfassung
Systembiologie – Leben berechnen
Experimentelle Daten (Omics) – Bioinformatik – Datenbanken
– Modelle – Vorhersagen
BRICS: Experimente + Modellieren
Biologen, Chemiker, Physiker, Ingenieure,
Mathematiker, Informatiker
Infektionsbiologie, Neurobiologie, Biotechnologie, Biochemie