Bioinformatik, Datenbanken, Proteinstrukturrechnung, Strukturmodellierung

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Ein wichtiger Kompetenzbereich von BOEHM BIOTECH CONSULTING liegt in der molekularen Bioinformatik. Die Menge und die Komplexität der Informationen in der biologischen Forschung nehmen laufend und rasant zu. Viele dieser Informationen und Daten sind in traditionell strukturierten Datenbanken organisiert und stehen der Forschung über das Internet zur Verfügung. Unter den neu gewonnenen Daten haben die Genomsequenzen zweifellos den bedeutendsten Anteil. Jedoch haben auch Strukturinformationen eine zentrale Bedeutung für die moderne Pharmakologie.

Eine zentrale Aufgabe der Bioinformatik besteht in der Organisation dieser komplexen und großen Datenmengen, aber auch in der Aufdeckung neuartiger Informationszusammenhänge im Sinne eines data mining. Die durch Gensequenzierung erhaltenen Informationen sind in vielen Fällen nur dann wirtschaftlich verwertbar, wenn die funktionelle Bedeutung einer bestimmten (Gen-)Sequenz aufgeklärt wird. Die exprimierten Proteine des zellulären Proteoms bilden den zentralen Mittelpunkt biologischer Prozesse.

Der Schlüssel zum Verständnis der biologischen und funktionellen Eigenschaften von Proteinen liegt in ihrer Struktur begründet. Life Sciences-Unternehmen benötigen diese strukturellen Eigenschaften beispielsweise zur Einschätzung von eigenen experimentellen Arbeiten und für Erfindungen und Patente.

Die Struktur eines gegebenen Proteins wird meist experimentell bestimmt. Dies erfordert jedoch einen hohen Zeit- und Kostenaufwand, und ein (schneller) Erfolg ist nicht garantiert. Ein Computerverfahren zur Modellierung der Struktur kann dagegen rasch und kostengünstig erfolgen und bereits vor der aufwendigen experimentellen Strukturaufklärung wesentliche Eigenschaften des untersuchten Zielproteins korrekt darstellen. Die Erstellung solcher Strukturmodelle ist Teil der modernen molekularen Bioinformatik; das Faltungsproblem, also die Vorhersage der Tertiärstruktur von Proteinen aufgrund von Sequenzinformationen, gilt heute noch immer als die Königsdisziplin der Bioinformatik. Bis heute ist noch nicht verstanden, nach welchem Mechanismus sich eine gegebene Aminosäuresequenz zu einer nativen und funktionellen Protein-Tertiärstruktur faltet, somit existiert auch kein eindeutiger mathematischer Algorithmus zur Ableitung der Tertiärstruktur anhand von Sequenzinformationen.

Aus diesen Gründen werden bei Vorhersagen der Tertiärstruktur von Proteinen wissensbasierte Ansätze zugrunde gelegt, die derzeit als die zuverlässigsten Verfahren zur Strukturprognose angesehen werden. Hierbei wird versucht, bei Kenntnis der Sequenz eines unbekannten Proteins und einer dazu „verwandten“ Templatstruktur durch Vergleichende Modellierung (homology modeling) auf ein Tertiärstrukturmodell zu schließen. Eine bislang unbekannte Faltungstopologie kann daher nicht vorhergesagt werden. Es wird jedoch erwartet, dass binnen der nächsten Jahre im Rahmen der Initiative „structural genomics“ alle relevanten natürlichen Topologien bekannt sein werden; völlig neuartige Proteintopologien sind danach kaum mehr zu erwarten.

Die üblicherweise eingesetzten Verfahren der Vergleichenden Modellierung sind ab einem bestimmten Verwandtschaftsgrad (etwa 50 % Sequenzidentität von unbekanntem Protein und Templat) relativ robust und zuverlässig, können aber auch dann Details wie beispielsweise Unterschiede in der Elektrodynamik im aktiven Zentrum eines Proteins nur mit begrenzter Auflösung darstellen. Es ist daher sehr wichtig, zu jedem Tertiärstrukturmodell auch dessen Zuverlässigkeit zu bestimmen, damit eine Überinterpretation der Modelle ausgeschlossen ist.

Nach der Bereitstellung einer qualitativ hochwertigen Datenbank der humanen Genomsequenz und anderer wichtiger Genome wird der nächste große Schritt die Bestimmung wichtiger biologischer Funktionen der Bestandteile des zellulären Proteoms liegen. Hierzu kann die molekulare Bioinformatik mit ihrer anspruchsvollsten Disziplin, der Tertiärstrukturvorhersage von Proteinen anhand der Sequenz, wertvolle Hilfestellungen leisten.

BOEHM BIOTECH CONSULTING setzt die erfolgreichen und hochrangig publizierten wissenschaftlichen Forschungsergebnisse von Dr. Gerald Böhm im Bereich der Modellierung und der Proteinstrukturvorhersage in die Praxis um. Gerne unterstütze ich Sie durch diese nachgewiesene Expertise im Bereich der Bioinformatik und der wissensbasierten Strukturmodellierung von Proteinen für Ihre laufenden oder zukünftig geplanten Projekte. Sprechen Sie mit mir, gerne helfe ich Ihnen bei Ihren Projekten kompetent weiter!