Juniorgruppe CBI: Mission erfüllt

13.02.2018
Die Computational Biology (CBI) Gruppe, 2013-2018 (v.l.n.r.): Martin Pippel, Siegfried Schloissnig, Philipp Kämpfer, Sean Powell, Philipp Bongartz.
Die Computational Biology (CBI) Gruppe, 2013-2018 (v.l.n.r.): Martin Pippel, Siegfried Schloissnig, Philipp Kämpfer, Sean Powell, Philipp Bongartz. (Foto: HITS)

Die HITS-Juniorgruppe „Computational Biology“ (CBI) beendet ihre Arbeit mit zwei „Nature“-Veröffentlichungen. Gruppenleiter Siegfried Schloissnig: „Wir hatten die Zeit, um gute und sorgfältige Arbeit zu leisten.“ Neue HITS-Juniorgruppen werden im Laufe des Jahres 2018 eingerichtet.

Ihr Augenmerk lag auf seltsamen Lebewesen mit atemberaubenden Eigenschaften: Die Juniorgruppe „Computational Biology“ am HITS beschäftigte sich mit dem Erbgut von Salamandern und Plattwürmern. Nach fast fünf Jahren intensiver Forschung gelang es Gruppenleiter Dr. Siegfried Schloissnig und seinem Team, gemeinsam mit Kollegen aus Dresden und Wien, das Genom des mexikanischen Salamanders Axolotl und des Plattwurms Schmidtea mediterranea zu entschlüsseln. Beide Tiere sind wichtige Organismen in der Regenerationsforschung. Die Forschungsergebnisse wurde im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht und erreichten eine hohe Medienresonanz.

Schloissnig und seine Mitarbeiter Philipp Bongartz, Philipp Kämpfer, Martin Pippel und Sean Powell entwickelten dafür seit 2013 eine völlig neue Software, den Genom-Assembler „MARVEL.“ Das Programm kann ein Genom auch aus extrem großen oder hoch repetitiven Erbgutinformationen rekonstruieren. „Damit ist unsere Mission erfüllt“, freut sich Siegfried Schloissnig. Der gebürtige Klagenfurter kehrt in seinem nächsten Karriereschritt zurück nach Österreich: Er ist künftig am Institut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien für den informatischen Teil der Regenerationsforschung zuständig.

„Das HITS ist ein privilegierter Ort, denn hier konnten wir in angenehmer Umgebung ungestört unserer Arbeit nachgehen“, resümiert Schloissnig. „Und wir hatten dank unseres Stifters Klaus Tschira genügend Zeit und keinen Publikationsdruck.“

Mit der Einrichtung von Juniorgruppen will das HITS ambitionierte junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf ihrem Karriereweg unterstützen. In diesem Jahr plant das HITS die Einrichtung von zwei Juniorgruppen, die sich mit „Machine Learning“ und „Computational Materials Science“ befassen. Darüber hinaus nimmt die Juniorgruppe von Andreas Bauswein, der einen ERC Starting Grant erhalten hat, im Mai 2018 ihre Arbeit auf.

Die Forschungsleistung der Juniorgruppe „Computational Biology“ im Überblick:

Medienstar und Genom-Gigant: Der Axolotl

HITS-Forschung auf der "Nature"-Titelseite: Das Axolotl-Genom.
HITS-Forschung auf der „Nature“-Titelseite: Das Axolotl-Genom. (Repro: HITS)

Das Genom des Axolotl konnte erstmals entziffert werden. Es ist mit 32 Milliarden Basenpaaren das bisher größte Genom, das jemals sequenziert wurde. Das Genom legt eine wichtige Grundlage, um das Zusammenspiel der Moleküle zu verstehen, die das Nachwachsen von Gliedmaßen und die Regeneration von Geweben steuern.

Die HITS-Bioinformatiker setzten mit „MARVEL“ das Puzzle aus vielen verschiedenen Genomsequenzen zusammen. Der Assembler-Code geht sparsam mit der benötigten Rechenleistung um, so dass die Forscher die Berechnungen ausschließlich auf dem HITS-Computercluster durchführen konnten.

Für die Sequenzierung des Axolotl-Genoms benötigten die Forscher rund 300.000 CPU-Stunden im HITS-Rechenzentrum, dabei fielen 240 Terabyte an Daten an (1 Terabyte entspricht 1000 Gigabyte). Die Berechnung würde auf einem handelsüblichen PC 17 Jahre in Anspruch nehmen, der Rechencluster des HITS schaffte es in knapp 30 Wochen.

„Jetzt können die Kollegen im Labor mit dem Axolotl-Genom wirklich arbeiten“, freut sich Schloissnig. „Vorher war es ein Ratespiel, jetzt ist das Puzzle zusammengesetzt.“ Die Medien lieben Axolotl, den Lurch, der nie erwachsen wird: Er schaffte es, dank der Hilfe von Schloissnig & Co. sogar auf die Titelseite von „Nature.“

The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Sergej Nowoshilow, Siegfried Schloissnig, Ji-Feng Fei, Andreas Dahl, Andy W.C. Pang, Martin Pippel, Sylke Winkler, Alex R. Hastie, George Young, Juliana G. Roscito, Francisco Falcon, Dunja Knapp, Sean Powell, Alfredo Cruz, Han Cao, Bianca Habermann, Michael Hiller, Elly M. Tanaka, and Eugene W. Myers. Nature. doi: 10.1038/nature25458

Das Regenerationswunder: Schmidtea mediterranea

Regeneration des Plattwurms Schmidtea mediterranea. (Bild: MPI-CBG)

Der Plattwurm Schmidtea mediterranea ist ein Tier mit fast unglaublichen Regenerationsfähigkeiten. Selbst wenn die Tiere in kleinste Gewebeteile zerschnitten werden, entsteht aus jedem Stück ein perfekt proportionierter Mini-Plattwurm. Wie die Plattwürmer dieses Kunststück vollbringen, ist bisher kaum verstanden. Die Entschlüsselung des Schmidtea mediterranea-Genoms ist deshalb ein wichtiger Schritt für die Forschung. Das Genom von Plattwürmern wie Schmidtea mediterranea galt bisher als unentzifferbar, weil sich seine Struktur extrem oft wiederholt. Die HITS-Forscher setzten auch hier mit „MARVEL“ das Puzzle aus den vielen verschiedenen Genomsequenzen zusammen. Dafür benötigten die Forscher rund 150.000 CPU-Stunden im HITS-Rechenzentrum, dabei fielen 150 Terabyte an Daten an (1 Terabyte entspricht 1000 Gigabyte). Die Berechnung würde auf einem handelsüblichen PC fünf Jahre in Anspruch nehmen, der Rechencluster des HITS schaffte es in knapp drei Wochen.

Markus Alexander Grohme, Siegfried Schloissnig, Andrei Rozanski, Martin Pippel, George Young, Sylke Winkler, Holger Brandl, Ian Henry, Andreas Dahl, Sean Powell, Michael Hiller, Eugene Myers, Jochen Christian Rink: Schmidtea mediterranea and the evolution of core cellular mechanisms, Nature, 24. Januar 2018. DOI: 10.1038/nature25473

Die CBI Gruppe im Garten des HITS.
Die CBI Gruppe im Garten des HITS. (Foto: HITS)

Über das HITS

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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