In Silico

Krankheitsvariationen am Computer genetisch vergleichen

Die Erweiterung der klassischen medizinischen Forschungsmethoden in vivo (im Körper) und in vitro (im Reagenzglas) werden immer mehr durch die elektronische Variante in silico (im Computer) ergänzt. Computersoftware, gespickt mit ausgeklügelten Algorithmen, simuliert hierbei biologische und chemische Reaktionen, die normalerweise in vivo und in vitro erforscht werden, virtuell. Nach der Entschlüsselung des menschlichen Genmaterials lassen sich so Zusammenhänge im Körper schneller und billiger erforschen.

Jetzt haben Bioingenieure um Bernhard Palsson an der Jacobs School of Engineering der Universität von Kalifornien in San Diego (UCSD) zum ersten Mal anhand eines Computermodells spezifische genetische Veränderungen genau einer Variation einer Krankheit zuordnen können. Darüber berichten sie in Genome Research (Vol 12, Issue 11, 1687-1692, November 2002).

Sie verwendeten hierfür die genetischen Informationen von Patienten mit einem Enzymmangel, der zu einer hämolytischen Anämie (Zerfall der roten Blutkörperchen) führt. Physiologen sammelten hierzu 150 DNA-Sequenzvariationen, die für diesen Typ der Anämie eine Rolle spielen könnten. Die verschiedenen DNA-Sequenzen verarbeitete Palsson dann in seinem Computermodell, das den Stoffwechsel der roten Blutkörperchen simuliert und auf den chemischen und biologischen Erkenntnissen aus 30 Jahren Forschung beruht. Das Modell berücksichtigt hierbei alle Gene in der Zelle, deren Produkte und wie diese Produkte miteinander reagieren, damit die Zelle bestimmte Funktionen ausführt. Für jede DNA-Sequenz simuliert das Programm dann, wie der genetische Defekt die Zellfunktionen stört. Dadurch konnte der Wissenschaftler genau feststellen, welche Mutationen in eine chronische hämolytische Anämie und welche Mutationen in eine weniger ausgeprägte Version der Krankheit resultieren.

Ziel des Wissenschaftlers ist eine Datenbank, in der spezifische genetische Mutationen mit der präzisen Auswirkung auf eine Krankheit hinterlegt sind. Das könnte für die Pharmaforschung interessant sein, denn eine Krankheit ließe sich je nach ihrer Schwere individuell behandeln, um so unnötige Nebenwirkungen zu vermeiden. Beispielsweise bei Brustkrebs sind nicht weniger als ein Duzend Variationen der Krankheit bekannt.

Bislang waren die Zusammenhänge zwischen bekannten Mutationen und dem Auftreten von Krankheitsvariationen nur statistisch nachgewiesen. Pallsons Computermodell definiert hingegen den mathematischen Mechanismus, bei welchem genetischen Defekt eine Krankheit in welcher Ausprägung ausbricht. Ein Spin-off der Universität, Genomatica, soll nun Palssons Computermodell auf den Markt bringen.