IBM setzt ganz auf die Wissenschaft bei der Arbeit mit dem komplexesten System der Welt: dem menschlichen Körper
Genetische Regulatormotive, Data-Mining und Modellierung biologischer Netzwerke, Strukturuntersuchung von Rhodopsin – alles im Verlauf eines Tages im IBM Computational Biology Center (CBC).
Das CBC wurde 1995 als eine kleine Gruppe gegründet, die sich mit Forschungsarbeit beschäftigte. Sie gewann jedoch schnell für das IBM Geschäft in den Bereichen Gesundheitswesen, Biowissenschaften und Hochleistungsrechnen („Deep Computing”) zentrale Bedeutung. Heute verfügen die 40 Vollzeit-Forschungskräfte über breit angelegte Informatik- und Mathematikqualifikationen. Ihre Projekte mögen akademisch klingen, beschäftigen sich aber mit realen Problemen, zum Beispiel dem Virus H1N1, und sie bereiten der personalisierten Medizin den Weg.
Nicht zu unterschätzen: Grippe bekämpfen
1918 starben schätzungsweise 50 Millionen Menschen in einer weltweiten Pandemie. 15 Jahre später wurde als verursachender Erreger schließlich das Grippevirus identifiziert.
Im Frühjahr 2009 wurde bei Mexikanern ein neuer Grippevirenstamm isoliert. Dieses Virus H1N1 breitete sich so schnell aus, dass die Weltgesundheitsorganisation bereits im Juni jenes Jahres H1N1 als Ursache einer weltweiten Pandemie identifizierte. Es handelte sich um die erste offiziell erklärte Grippe-Pandemie seit 41 Jahren.
Das Grippevirus ist ein furchterregender Gegner. Es kann im Laufe der Zeit allmählich mutieren und auch in Form plötzlich neu entstandener Stämme ausbrechen. Die US-amerikanischen Centers for Disease Control and Prevention (CDC) wiesen darauf hin, dass das Schweinegrippevirus H1N1 über ein RNA-Genom verfügt, das fünf von verschiedenen Schweinegrippearten abstammende RNA-Ketten enthält: zwei RNA-Ketten der Vogelgrippe und eine der humanen Grippe.
Wie also kann ein so komplexer, sich ständig wandelnder Gegner bekämpft werden?
Für IBM ist die Herausforderung nicht neu. 2006 gründeten IBM, die Weltgesundheitsorganisation und die CDC die Global Pandemic Initiative, einen Lenkungsausschuss mit dem Auftrag, die Möglichkeiten der Nutzung fortgeschrittener Analyse- und Computertechnik im globalen Vorbereitungsprogramm gegen mögliche weltweite Ausbrüche der ansteckenden Krankheit zu untersuchen.
Heute untersuchen IBM Wissenschaftler H1N1, um Modelle der Gen- und Proteinsequenzen des Virus zu erstellen und diese für die Vorhersage seiner wahrscheinlichen Mutationen zu verwenden. Sie möchten Fragen beantworten wie: Auf welche Weise dockt das Virus an Rezeptoren an und infiziert Menschen? Erkennen durch frühere Virenexposition oder über Impfstoffe entstandene Antikörper die jede mögliche Mutation des neuen Virus und bekämpfen sie? Wissenschaftler hoffen mittels Modellierung des Virusverhaltens bestimmen zu können, ob die Mutation eine neue Kette ergibt, gegen die alle vorherigen Impfstoffe und Expositionen nutzlos sind und die daher eine neue Bedrohung darstellen könnte.
Mithilfe der biologischen Informatik hoffen IBM Forscher, diese Frage beantworten und dieselbe Methodik und Expertise auf verschiedene andere Situationen übertragen zu können: Dazu gehören der HIV-Erreger, bakterielle Infektionen und Antibiotikaresistenzen.
Persönliche DNA-Karte für unter 1000 US-Dollar
Das menschliche Genom ist die genetische Blaupause für das Leben. Es zeigt nicht nur körperliche Merkmale wie die Augenfarbe an, sondern die mikroskopisch kleinen Millionen von Nukleotidketten deuten auch auf zukünftige körperliche Probleme im Verlauf eines Lebens hin: zum Beispiel auf Alzheimer, Krebs oder Herzleiden.
Die Interpretation dieser Blaupause könnte die moderne Medizin verändern. Mit genetischen Daten können Ärzte für Patienten personalisierte Behandlungen durchführen und eine andere Ernährung oder ein anderes Verhalten empfehlen. Zurzeit ist jedoch die Sequenzierung eines einzigen Genoms teuer: Es kostet Hunderttausende. Daher stellt die preisgünstige DNA-Sequenzierung so etwas wie den Heiligen Gral von Genforschern und Befürwortern personalisierter Medizin dar.
IBM hat nun begonnen, selbst nach einer Technologie zu suchen, die die personalisierte Gensequenzierung preisgünstiger machen kann: Statt Hundertausende soll sie lediglich ungefähr 1.000 US-Dollar kosten. Da IBM ein Technologieunternehmen ist, lag es nahe, mit einem Mikrochip zu beginnen.
Wie es funktionieren könnte
Ein Team von IBM Wissenschaftlern aus den Bereichen Nanofabrikation, Mikroelektronik, Physik und Biologie schuf einen neuen Chip, der die Grundlage für eine schnellere, kostengünstigere, persönliche Genanalyse werden könnte. Der „DNA-Transistor” wird hergestellt, indem winzige, wenige Nanometer kleine Löcher– ungefähr 100.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaars – in Siliziumchips gebohrt, dann DNA-Ketten durch sie hindurchgeschleust und schließlich die in den Ketten enthaltenen genetischen Daten ausgelesen werden.
Diese winzige Öffnung heißt Nanopore und es ist entscheidend den Erfolg, steuern zu können, wie schnell sich DNA durch die Nanopore bewegt. IBM Forscher entwickeln eine Methode, das DNA-Molekül im Prinzip mithilfe von Stromgattern jeweils Base für Base im Stop-and-go-Verfahren passieren zu lassen.
Indem die Spannungen dieser Gatter zyklisch ein- und ausgeschaltet werden, haben Forscher theoretisch und informationstechnisch, in Erwartung der experimentellen Nachweisbarkeit, plausibel gemacht, dass DNA sich mit der Geschwindigkeit von einem Nukleotid pro Zyklus durch die Nanopore bewegt. Bei dieser Geschwindigkeit halten IBM Wissenschaftler die DNA für lesbar.
Wie steht es mit dem Datenschutz?
Wenn Ihre Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten bekannt ist, besteht selbstverständlich ein Risiko, dass Dritte diese Informationen gegen Sie verwenden könnten: der Arbeitgeber, die Krankenversicherung oder das Krankenhaus.
Bei IBM wurde dies vorausgesehen: Im Herbst 2005 überarbeitete IBM die eigenen Unternehmensrichtlinien für den Datenschutz und für die Chancengleichheit entsprechend der Absicht des Unternehmens, genetische Informationen über Mitarbeiter in hohem Maße zu schützen und Informationen aus Gentests innerhalb des Angestelltenverhältnisses nicht diskriminierend gegen Mitarbeiter zu verwenden. Drei Jahre später verabschiedeten die Vereinigten Staaten das Gesetz Genetic Information Nondiscrimination Act (GINA): US-Amerikaner sollten davor schützt werden, von Krankenversicherungen oder Arbeitgebern wegen ihrer Gendaten benachteiligt zu werden.
Das Schoko-Genom
Wenige Dinge auf der Welt sind so eindeutig wie ein Schokoladenriegel. Hinter einer so einfachen und leckeren Sache steckt jedoch viel Wissenschaft.
In den letzten Jahren hatte die Kakaoindustrie mit einer Reihe zerstörerischer Pilzkrankheiten zu kämpfen, durch die den Produzenten weltweit Verluste in Höhe von ca. 700 Millionen US-Dollar pro Jahr entstehen. IBM Research arbeitet mit dem US-amerikanischen Landwirtschaftsministerium und dem Nahrungsmittelkonzern Mars zusammen (US), um dieses Problem an der Wurzel zu packen. Dabei soll die IBM Technologie und Kompetenz im Bereich Bioinformatik genutzt werden, um eine detaillierte Genkarte zu entwickeln. Ziel ist die Ermittlung der spezifischen genetischen Merkmale, durch die sich höhere Kakaoernten erzielen lassen und Pflanzen gezüchtet werden können, die Dürrezeiten oder Schädlingsbefall standhalten.
Doch ebenso wie Leckereien sind auch die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit noch süßer, wenn sie mit anderen geteilt werden. Mars wird die Genomdaten kostenlos über die Public Intellectual Property Resource for Agriculture (PIPRA) zur Verfügung stellen, um agrarwirtschaftliche Innovationen zu unterstützen, die sowohl humanitären Zwecken dienen als auch in kleinerem Umfang kommerziell genutzt werden können.
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