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„Es muss sehr viel mehr passieren“

Die Lebenswissenschaften in Deutschland brauchen eine moderne IT-Infrastruktur, um ihr Potenzial besser ausschöpfen zu können, fordert Leopoldina-Mitglied Alfred Pühler

Der erste „Zukunftsreport Wissenschaft“, den die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina veröffentlichte, war den „Lebenswissenschaften im Umbruch“ gewidmet. Das 2014 erschienene Papier strich die Bedeutung der Lebenswissenschaften als Leitdisziplin des 21. Jahrhunderts heraus: „Wie auch andere Wissenschaftsbereiche verändern sich derzeit die Lebenswissenschaften – dazu gehören z. B. Biologie, Biochemie, Gentechnologie, Ernährungswissenschaften, Medizin und Pharmazie – dramatisch durch den Einsatz neuer Technologien. Mithilfe bioanalytischer Hochdurchsatzverfahren, sogenannter Omics-Technologien wie z. B. Genomics, Transcriptomics, Proteomics oder Metabolomics können in kurzer Zeit riesige Datenmengen über Lebensprozesse gewonnen werden. Daraus erhofft man sich u. a. weitreichende Erkenntnisse über Ursachen von Erkrankungen und darauf aufbauend die Entwicklung zielgerichteter Therapien, neue Einsichten zur gesunden Ernährung oder Innovationen in der Biotechnologie und Bioökonomie. Diese Technologien bieten auch ein großes Wertschöpfungspotenzial, z. B. durch den Ausbau wissensintensiver Dienstleistungen und innovativer forschungsbasierter Industriezweige.“ Allerdings kamen die Experten zu einer ernüchternden Diagnose: „Deutschland ist auf die rasanten Entwicklungen rund um die Omics-Technologien weder in technologischer noch informationstechnischer Hinsicht ausreichend vorbereitet.“ Eine Maßnahme, die hier Abhilfe schaffen soll, ist der Aufbau von de.NBI. Das seit 2015 vom Bundesforschungsministerium geförderte Deutsche Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur stellt allen Forschenden in den Lebenswissenschaften eine Infrastruktur zur Verfügung, die die Analyse umfangreicher Datenmengen mit Bioinformatik erleichtert.

Herr Professor Pühler, warum benötigen wir ein solches Netzwerk für die Lebenswissenschaften wie de.NBI?

Die Lebenswissenschaften ermöglichen mithilfe der Omics-Technologien, dass wir das zelluläre Geschehen zum Beispiel bei Krebs insgesamt umfassender und detaillierter verstehen. Man geht in den Lebenswissenschaften vom isolierten Blick einer Disziplin zu einem längst fälligen Gesamtblick über. Dieser umfassende Blick ist überall da notwendig, wo Zellen eine wichtige Rolle einnehmen und wo die Wissenschaft anwendungsorientiert der Bevölkerung Rede und Antwort stehen muss. Dazu zählen: Die Landwirtschaft, wo die Züchtung heute ohne Omics-Technologien nicht mehr auskommt. Die Biotechnologie, wo man auf Omics-Daten aufbauend Produktionsorganismen entwickelt. Die Medizin, wo man mit Omics-Technologien analysiert, was in einem Zellgewebe schief-läuft. Das führt hin bis zur personalisierten Medizin, wo die Omics-Technologien es ermöglichen, für eine spezifische Erkrankung passende Medikamente zu entwickeln.

2014 stellte die Leopoldina im „Zukunftsreport Wissenschaft“ fest, dass Deutschland bei den Omics-Technologien hinterherhinkt. Und heute?

Der Report wies auf zwei Schwachstellen hin, die immer noch aktuell sind: Die Omics-Technologien stehen nicht flächendeckend zur Verfügung und vor allem auch nicht die Auswertung der erzeugten Daten. Aber beides ist für die Forschung in den Lebenswissenschaften essenziell: Denn um Omics-Technologien zu nutzen, braucht man kostenintensive Instrumente, die sich viele Hochschulen nicht leisten können. Deshalb muss man Zentren bilden, die Omics-Technologien für diejenigen zugänglich machen, die über solche Analyseinstrumente und -methoden nicht verfügen. Heute, sechs Jahre nach Erscheinen des Zukunftsreports, muss man konstatieren: Die Omics-Technologien wurden nicht so gefördert, wie es notwendig wäre. Das, was letztendlich initiiert werden konnte, verlief sehr zäh. So dauerte es mehrere Jahre, bis die Deutsche Forschungsgemeinschaft Sequenzier-Zentren in Kiel, Dresden, Köln und Tübingen geschaffen hat. Denn das gewichtige Gegenargument des Bundesforschungsministeriums zu dieser zentralen Forderung der Leopoldina lautete: „Diese Technologie ist doch bereits in vielen anderen Ländern angesiedelt und wird außerdem von Industrieunternehmen angeboten. Nutzt doch das Angebot dieser Industrieunternehmen.“ Eine Folge davon: Diese vier Zentren sind unterfinanziert und sollen jetzt in die große Humansequenzierung einsteigen. Mein Fazit: Es muss in Deutschland sehr viel mehr passieren, um den Anschluss an andere Länder zu finden.

Warum sind bundes- und europaweite Netzwerke effektiver als Insellösungen?

Der Zugang zu Forschungsinfrastrukturen ist bei Insellösungen vielen Forschern verschlossen, nur handverlesene Wissenschaftler profitieren davon. Um die Lebenswissenschaften voranzubringen, benötigen wir aber Netzwerke, die möglichst viele Wissenschaftler bis hin zum Nachwuchs nutzen können. Zudem kann man verteilte Netze dynamischer gestalten. So vereinen wir unter dem Dach von de.NBI zurzeit insgesamt 40 Projekte, die in acht Servicezentren mit unterschiedlichen Schwerpunkten zusammengefasst sind. Die Zentren stellen dem Netzwerk ihre Softwarelösungen und Tools zur Verfügung und beraten Forscherinnen und Forscher, mit welchem Tools sie arbeiten sollten, wie man diese anwendet, was man mit den Ergebnissen machen kann und welche Daten sich für eine Analyse eignen. Die Tools sind so konstruiert, dass sie leicht anwendbar sind und auch von Forschern genutzt werden können, die keine Kenntnisse in Bioinformatik mitbringen. Zudem bieten wir passende Trainingskurse an.

Warum ist es wichtig, dass diese Datenkompetenz bei den staatlichen Hochschulen und Forschungsinstitutionen liegt und nicht allein in Unternehmen?

Die Erkenntnisse auf diesem Gebiet müssen von den Forscherinnen und Forschern der Lebenswissenschaften weitergetrieben werden. Über die Omics-Technologien erhält man riesige Datenmengen, mit denen man so nichts anfangen kann, auch als Big-Data-Problem bekannt. Diese Datenmengen müssen von den Programmen aufgearbeitet werden, um zu validen Ergebnissen zu gelangen. Die Wissenschaftler sind darauf angewiesen, damit sie ihre Forschung vorantreiben können, wie bei den aktuellen Covid-19-Erkrankungen: So kann man aus einer Speichelprobe das Virusgenom sequen-zieren, womit man die Signatur und damit Stellen im Virusgenome mit Mutationen erfasst. Danach prüft man, ob solche Mutationen bereits in anderen Virusgenomen gefunden wurden. Aus einer solchen Analyse lassen sich Aussagen über die Verbreitung von Viren ableiten. Nehmen wir als jüngstes Beispiel den Corona-Ausbruch in Gütersloh, wo behauptet wurde, „die Viren, die man bei Tönnies gefunden hat, kommen aus Bulgarien und Rumänien“. Mittels einer Signaturanalyse lässt sich eine solche Hypothese leicht überprüfen.

Und die Rolle der Unternehmen?

Es gibt Unternehmen, die Sequenzierdienste anbieten, allerdings ohne eine Analyse der erstellten Sequenzdaten. Forschende können mit reinen Sequenzdaten meist wenig anfangen und brauchen zur Analyse der Daten bioinformatische Unterstützung, zum Beispiel durch das de.NBI-Netzwerk, welches spezielle Expertise für die gesamten Lebenswissenschaften bereit hält. Einzelne Unternehmen können dies nicht leisten.

Brauchen Sie zur Auswertung solcher Datenmengen aber nicht Supercomputer-Ressourcen, wie sie etwa das Forschungszentrum Jülich vorhält?

Supercomputer erweisen sich für viele Naturwissenschaften als unumgänglich. Für die Lebenswissenschaften mit vielen unterschiedlichen Analyseansätzen sind jedoch andere Rechnerstrukturen vorteilhafter. Das de.NBI-Netzwerk hat deshalb eine eigene Rechnerstruktur auf Cloud-Basis eingerichtet. Diese neu eingerichtete de.NBI-Cloud hat den Vorteil, dass sie komplett vom de.NBI-Projekt getragen wird und damit sicherstellt, dass die gerechneten Forschungsdaten in Deutschland gehalten werden können. Zur Etablierung der de.NBI-Cloud haben wir das hierzulande vorhandene akademische Cloud-Wissen zusammengebunden und die de.NBI-Cloud als verteilte Struktur an sechs Standorten errichtet. Die de.NBI-Cloud ist auf bioinformatische Analysen ausgerichtet und wird zentral gesteuert. Da sie als Infrastruktur konzipiert ist, steht sie nicht nur de.NBI-Mitgliedern, sondern allen Forschenden aus den Lebenswissenschaften zur Analyse ihrer Daten zur Verfügung. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Nutzer Diplomand, Doktorand, Postdoc oder Professor ist.

Warum ist eine solche Infrastruktur im Bereich der Lebenswissenschaften wichtig für den Standort Deutschland?

Die durch das de.NBI-Netzwerk etablierte Infrastruktur funktioniert auch bei Krisen sofort. So konnte sich de.NBI umgehend an der Auswertung von COVID-19-Forschungsdaten beteiligen. Eine Umfrage im de.NBI-Netzwerk hat ergeben, dass de.NBI an nahezu 30 COVID-19-Forschungsprojekten beteiligt ist. Die vom de.NBI-Netzwerk bearbeiteten Forschungsprojekte decken das gesamte Spektrum der Corona-Forschung ab. Die beteiligten infektiösen Viren werden z. B. einer Sequenzanalyse unterzogen und Modelle für die zukünftige Ausbreitung entworfen. Weiterhin werden Wechselwirkungen der infektiösen Viren mit menschlichem Gewebe studiert und auftretende Krankheitsverläufe untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Medikamentenentwicklung. Zur Analyse von COVID-19-Forschungsdaten nutzt das Netzwerk die erprobten de.NBI-Computerprogramme und greift vor allem auf die angebotene Rechnerstruktur der de.NBI-Cloud zurück. Das de.NBI-Netzwerk hat durch seine Beiträge zur Corona-Forschung nachgewiesen, dass die etablierte Infrastruktur als schnelle Eingreiftruppe zur Analyse von großen Datenmengen in den Lebenswissenschaften zur Verfügung steht. //

ZU PERSON

Prof. Dr. Alfred Pühler gilt als einer der Pioniere der modernen Gentechnik, Biotechnologie und Genomforschung. So war er maßgeblich an der ­Entschlüsselung der Genomsequenz mehrerer Mikroorganismen beteiligt. 1979 wurde Pühler auf den Lehrstuhl für Genetik an die Universität Bielefeld berufen, wo er bis 2008 tätig war. Nach seiner Pensionierung wechselte er als Senior Research Professor an das Center for Biotechnology der Uni Bielefeld, das er mit aufgebaut hat. Zudem ist er Koordinator des vom BMBF seit 2015 geförderten Deutschen Netzwerks für Bioinformatik-Infrastruktur – de. NBI und Mitglied der Leopoldina.

Foto: Universität Bielefeld

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