Biochemie
Proteine überholen Gene

Menschen gehören zu den höheren Organismen. Sie bestehen zur Hälfte ihrer Trockenmasse aus Eiweiß. 100.000 bis eine Million verschiedene Proteine bauen Gewebe auf und sind an den komplexesten Stoffwechselvorgängen im Körper beteiligt.

 

SANKT AUGUSTIN. Der Königsweg, um Gemische von solchen und anderen Biomolekülen zu trennen und zu kartieren, heißt Gel-Elektrophorese. Die Software GREG wertet deren Informationen vollautomatisch aus und legt sie in Datenbanken ab. Ihr System stellen die Entwickler der Fraunhofer für Angewandte Informationstechnik-Institut FIT aus Sankt Augustin vom 23. bis 26. April auf der Analytica 2002 in München vor.

Biologen und Chemikern bezeichnen die Gesamtheit aller Proteine, die ein Organismus während seines Leben bildet, Proteom. Dieser neuen Wortschöpfung folgend werden die Spezialisten der jungen Forschungsrichtung Proteomik genannt.

Das Gebiet ist riesig - zehn- bis einhundertmal umfangreicher als das Genom, das die Biosynthese aller Proteine kodiert und steuert. Die Frage "Wie funktioniert Leben?" wird die Forschung somit noch lange Zeit beschäftigen.

Proteine kriechen durch das Gel

Eine der wichtigsten Methoden, um eine komplexe Mischung von Proteinen oder deren Bruchstücke in ihre Bestandteile aufzutrennen, ist die Elektrophorese. Biochemiker bringen dazu eine Proteinlösung auf eine durchsichtige Platte auf, die mit einem polymeren Gel beschichtet ist. Nachdem eine elektrische Spannung angelegt wurde, wandern die Moleküle langsam durch das Gel. Die jeweilige Größe und der pH-Wert bestimmen, wie schnell: Große Moleküle mit geringer elektrischer Ladung sind langsam. Schaltet der Chemiker den Strom ab, bleiben die Proteine an unterschiedlichen Positionen der "Rennbahnen" liegen. Ein Farbstoff, der nur mit Proteinen reagiert, macht sie als Flecke auf dem Gel sichtbar.

Auf einer modernen Elektrophoreseplatte werden bis zu 10.000 Proteine gleichzeitig aufgetrennt. Mehrere Wettrennen mit identischen Lösungen erhöhen nicht nur die Genauigkeit der Messung, sondern auch die Datenmenge. Angesichts der Anzahl von Flecken kann dem Auswerter schwummrig vor Augen werden. Helfer in der Not sind Scanner, Computer und Bildauswertungssoftware. "Bei der eigentlichen Analyse ist der Mensch jedoch das Maß aller Dinge", weiß Alexander Kort, der am Fraunhofer für Angewandte Informationstechnik-Institut FIT an einem Gel-Auswertungs-Projekt beteiligt ist.

"Auge und Hirn wenden äußerst komplexe Verfahren an, um gleichzeitig lokale und globale Fleckenmuster, ihre Intensitäten und Kontraste zu analysieren und zu bewerten. Der Computer dagegen sieht im gescannten Bild zunächst nicht mehr als eine Pixelmatrix mit Graustufen zwischen 0 und 255. Doch können wir mit unserem vollautomatischen Analyseverfahren die Leistung der auswertenden Forscher deutlich erweitern. Wesentlich ist uns, dass sie von der reinen Datenaufnahme und-auswertung entlastet werden. Sie gewinnen Zeit, um sich kreativeren Fragen zu widmen."

Dazu entwickeln die Informatiker von FIT gemeinsam mit Aventis Research & Technologies ein neues Softwaresystem. "Um mehrere Elektrophorese-Gele aus identisch durchgeführten Versuchen vergleichen zu können, müssen sie zunächst registriert werden - daher der Name unseres Projekts: GREG", erklärt Kort. "Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass die Software automatisch ein für alle Flecke gemeinsames Koordinatensystem erzeugt.

Danach werden diese Spots segmentiert. Dies gewährleistet zum Beispiel, dass solche, die sehr nahe beieinander liegen, getrennt erfasst werden. Positionen und Intensitäten der Flecke zu kennen, ist jedoch erst der Anfang. Für ein modernes Auswertungssystem wie GREG ist entscheidend, auch Datenbanken zu verwalten. Der Anwender kann daraus sämtliche bereits aufgenommenen Gelbilder schnell abrufen und visuell mit solchen aus neuen Experimenten vergleichen. Auf diesem Wege lassen sich beispielsweise Unterschiede zwischen gesunden und erkrankten Organismen leicht identifizieren. Baustein für Baustein wird das Wissen über den Stoffwechsel in Web-basierten Datenbanken abgelegt. So entsteht ein Netzwerk, das die Proteom-Forscher zu weiterführenden Experimenten inspiriert, woraus letztlich neue zellbiologische Modellvorstellungen erwachsen.

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