Algorithmen zur Rekonstruktion von Ko-Phylogenien: Mehrwertige Assoziationen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Middendorf; Professor Dr. Peter Florian Stadler
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Informatik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214087123

Eine erfolgreiche Vorgehensweise zur Untersuchung von Wirt-Parasit-Systemen ist die Entwicklung von sogenannten Ko-Phylogenien. Hierbei handelt es sich um eine Abbildung zwischen zwei phylogentischen Bäumen, welche die gemeinsame Entwicklung von Wirten und deren Parasiten beschreibt und zusätzlich relevante evolutionäre Ereignisse identifiziert. Beispiele für solche evolutionären Ereignisse sind die Artenbildung von Wirten und Parasiten sowie die Entstehung oder der Verlust von Wirt-Parasit-Assoziationen. In der Natur ist dabei der Regelfall, dass eine Wirtart von mehreren unterschiedlichen Parasitarten infiziert wird und eine Parasitenart unterschiedliche Wirtarten befällt. Hierbei ist die Erforschung von solchen Mehrfach-Wirt- und Mehrfach-Parasit-Systemen nicht nur von akademischem Interesse, denn diese haben auch potenzielle Auswirkungen für die Handhabung von ansteckenden Krankheiten und das Verstehen der Entwicklung von mobilen genetischen Elementen mit effizienten Mechanismen für Gentransfer, welche beispielsweise in Retroviren auftreten. Dessen ungeachtet fokussieren bisherige mathematische Modelle und Anwendungen fast ausschließlich auf Systeme mit einem Parasiten auf einem Wirt oder mehreren Parasiten auf einem Wirt. Ziel dieses Projektes ist eine systematische Untersuchung von Ko-Phylogenien sowie die Entwicklung von formalen Modellen und Anwendungen für Mehrfach-Wirt- und Mehrfach-Parasit-Systemen. Zu diesem Zweck soll das bereits intensiv erforschte Konzept von Übereinstimmungsabbildungen (”reconciliation maps”) zwischen Parasit- und Wirtphylogenien zu Übereinstimmungsrelationen (”reconciliation relations”) verallgemeinert, ein zweckmäßiges Bewertungssystem für die verallgemeinerten Modelle entwickelt, und Verallgemeinerungen von Anwendungen für Wirt-Parasit- und deren eng verwandte Spezies-Gen-Systeme untersucht werden. Das Ergebnis dieses Projektes sind neue algorithmische Methoden zur Lösung von deutlich komplexeren Mehrfach-Wirt- und Mehrfach-Parasit-Problemstellungen und den damit zusammenhängenden biologischen Problemen, welche auch durch die rasant ansteigende Menge an Daten über Wirt-Parasit-Assoziationen und deren Genome motiviert werden. Zudem können durch dieses Projekt neue Erkenntnisse über evolutionäre Mechanismen von eng verbundenen, ko-evolvierenden Organismen auch jenseits von Wirt-Parasit-Systemen gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen