Was ist Bioinformatik?

Bioinformatik

ist die Anwendung von Methoden aus der Informatik auf wissenschaftliche Probleme aus den Lebenswissenschaften. Hochdurchsatz-Experimente haben in vielen Bereichen der Chemie, Biologie, Medizin und Pharmakologie Einzug gehalten. Eine große Menge an komplexen Daten liefern z. B.

• Sequenzierung von Genomen
• Expressionsprofile von Proteinen
• Strukturaufklärung von Proteinen
• Interaktionen zwischen Biomolekülen (Proteine, RNA, niedermolekulare Verbindungen).

Die Bioinformatik entwickelt Softwarewerkzeuge zur Vorbereitung, Auswertung und Analyse dieser Daten. Sie nimmt eine Schlüsselrolle in den modernen Lebenswissenschaften ein, da nur mit ausgefeilten Computersystemen Wissen aus den großen Datenmengen generiert und für die Vorhersage biologischer Phänomene nutzbar gemacht werden kann. Beispiele zu Forschungsthemen in der Bioinformatik finden Sie unter 'Research'.

Die methodisch-orientierte Bioinformatik entwickelt hierfür Softwaresysteme im biologischen, chemischen und medizinischen Anwendungskontext, insbesondere Systeme zum Datenhandling, zur Datenanalyse und zu Vorhersageverfahren.

Im Zentrum der naturwissenschaftlich-orientierten Bioinformatik steht die Anwendung von Softwaresystemen im biologischen, chemischen und medizinischen Umfeld. Hier ist beispielhaft die Extraktion von Informationen aus biologischen Daten und die Vorhersage biologischer Eigenschaften von Molekülen, also Aufbau, Struktur und Interaktion, zu nennen.

Bioinformatik hat sich als verbindende Disziplin zwischen der Informatik und den Lebenswissenschaften zu einem eigenständigen Fach entwickelt.

Bioinformatik ist an der Universität Hamburg mit vier Schwerpunkten vertreten:

• Genominformatik beschäftigt sich mit der Entwicklung von Algorithmen und Software zur Analyse großer Sequenz- und Datenmengen wie zum Beispiel Genome und Transkriptome, von Genvorhersage über automatische Genomannotation bis zum Vergleich ganzer Genome. Hierfür ergeben sich kontinuierlich neue Fragestellungen, für die Algorithmen und Datenstrukturen sowie flexible Softwaresysteme entwickelt werden müssen.
• Strukturelle Bioinformatik / Biomolekulare Modellierung hat ihren Schwerpunkt in der anwendungsspezifischen Modellierung von Molekülen und der Anwendung dieser Modelle in numerischen Simulationsverfahren verschiedener Gebiete. Am ZBH finden diese Verfahren bei der Vorhersage von Proteinstrukturen und bei der Entwicklung neuer Peptide mit bestimmten biochemischen Eigenschaften Anwendung. Das Ziel dabei ist es, Methoden aus der Physik mit Evolutionsbiologie und experimentellen Ergebnissen zu verknüpfen.
• Chemieinformatik / Algorithmisches Molekulares Design befasst sich mit mit der Anwendung von Computersystemen auf chemische Fragestellungen. Chemieinformatische Methoden werden insbesondere in der pharmazeutischen und biotechnologischen Forschung eingesetzt (Computer-Aided Molecular Design, Computer-Aided Drug Design). Dazu gehören die Analyse und Vorhersage von molekularen Wechselwirkungen genauso wie die Anwendung algorithmischer Verfahren beim Entwurf neuer, pharmazeutisch relevanter Wirkstoffe. Kerngebiete am ZBH sind Verfahren für virtuelles Screening, strukturbasiertes Moleküldesign, Entwurf von Molekülbibliotheken und Visualisierung biochemischer Sachverhalte im Wirkstoffentwurf.
• Computergestützte Systembiologie untersucht mithilfe der künstlichen Intelligenz und kombinatorischer Optimierung molekulare Mechanismen, die Krankheiten auslösen. Wir entwickeln computergestützte Methoden für die Netzwerk- und Systemmedizin, insbesondere für die mechanistische Neudefinition von Krankheiten. Hier entstehen neue Möglichkeiten für die Wiederverwendung von Medikamenten und die synergistische Pharmakologie. In der Präzisionsmedizin, wo sensible Daten für das Lernen von Vorhersagemodellen nicht institutionsübergreifend geteilt werden dürfen, entwickeln wir Privacy-by-Design-Methoden, die größtenteils auf föderierter künstlicher Intelligenz basieren, um die individuelle Privatsphäre zu schützen und dennoch Big-Data-Analysen zu ermöglichen.

Wieso ein Studiengang Bioinformatik?

Für die Aufgaben in der Bioinformatik reicht es nicht "Biologie und ein wenig Programmieren" zu verbinden. Für die Entwicklung von komplexen Datenbanken und Vorhersageverfahren benötigen

• Methodenentwickler ein fundiertes Anwendungswissen, denn die Modellierung von Problemen ist entscheidend für die Softwareentwicklung und
• Bioinformatik-Anwender benötigen ein fundiertes Methodenwissen, denn Funktionsweise der Software ist entscheidend für die Analyse der Ergebnisse.