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Die DNA aus der Codierungsperspektive

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2017 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328529227
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die DNA wurde aus der Sicht der Informationstheorie und der Kommunikation untersucht, um ein tieferes Verständnis der DNA-Eigenschaften zu gewinnen, die dann ingenieurwissenschaftliche und biologische Aspekte verknüpfen. Diverse neue Aspekte wurden beleuchtet und schon bekannte Eigenschaften wurden verständlich und konnten sogar formell bewiesen werden. Indem Mutationen und ihre Wahrscheinlichkeiten als ein Kommunikationskanal betrachtet wurden und die "Mutual Information” über die Zeit berechnet wurde, realisiert durch einen Kanalmatrix-Exponenten, konnte das Mapping zwischen Codons und Aminosauren bewiesen werden. Besonders betrifft dies die synonymen Beziehungen und die Wobble-Regel, die direkt aufgezeigt werden konnten. Sogar konnte man erkennen, dass ab einer gewissen “Zeit” der Informationsgehalt eines Basenpaares, d.h. einer quaternaren Reprasentation, lediglich ein einzelnes Bit zur Verfügung stellt. Dies konnte beispielsweise nur die Unterscheidung zwischen Purinen und Pyrimidinen erlauben. Wir konnten zeigen, dass die Shannon-Entropie einen geeigneten Indikator für biologisch relevante DNA-Eigenschaften bildet. Mit einer weit gefassten Untersuchung konnten wir Promoter-Eigenschaften identifizieren, die sensitiv bzgl. der drei-dimensionalen DNA-Struktur sind und die zeitliche Gene-Expression bestimmen. Mit der gleichen Vorgehensweise identifizierten wir sich wiederholende Sequenz-Eigenschaften, die Grundpegel der Gen-Expression modulieren. Auf der Grundlage solcher Kenntnisse erscheinen Promoter-Designs mit gewünschten Eigenschaften für die synthetische Biologie in Bereich des Machbaren und erlauben eine stärker kontrollierbares Engineering in der Biologie und Biotechnologie. Weiterhin konnten wir Reorganisationen in der Gen-Anordnung quantifizieren, die Muster der Gen-Migration in der Evolution bakterieller Chromosomen bilden. Diese Arbeiten zeigten die fundamentale Kräfte auf, die die Evolution bakterieller Chromosomen bestimmen. Damit wurde der Weg bereitet, in zuverlässigerer Weise stabilere synthetische Chromosomen zu erzeugen. Auf der Grundlage informationstheoretischer Eigenschaften wie Entropien (Shannon und Gibbs), Mutual Information, Kullback-Leibler-Divergenz, und Markov-Modellen, ist es uns gelungen, innerhalb desselben Organismus oder zwischen Organismen essentielle Gene zu erkennen, wobei wir Bakterien, Archaeon, und Eukaryoten untersucht haben. Zur Markov-Modellierung mussten wir natürlich zuvor die Ordnung schätzen. Unsere Arbeiten zu essentiellen und nicht-essentiellen Genen führte zu einer Kooperation und Veröffentlichungen mit Kollegen aus Israel. Hierdurch entwickelte sich dieser Projektteil zu einem deutlich umfangreicheren als ursprünglich angenommen. Hierdurch mussten Arbeiten zu Gene-regulatorischen Netzwerken etwas zurückstehen und konnten nur gestreift werden. Wir sehen diese Netzwerke als die hierarchisch höchste Struktur von Fehlerkorrekturmechanismen. Bislang haben wir sogenannte Synthetische Latalitäts-Netzwerke betrachtet. Diese können als die Realisierung eines Wiederholcodes angesehen werden, jedoch ist dies nicht nur begrenzt auf die Duplizierung von Genen oder einfachen funktionalen Ersatz. Es existieren Pfade in solchen Netzen, die Redundanz zur Verfügung stellen. Somit erscheinen Mehr-Level-Code-Graphen eine geeignete Beschreibung zu sein. Eine gemeinsame Betrachtung von Co-regulatorischen Netzen hat bislang nicht zu einem besseren Verständnis der Verbindungsgrade bestimmter Gene geführt, nicht einmal von zentralen Knoten mit vielen Verbindungen. Weitere Untersuchungen zu Gen-Netzwerken sind auf jeden Fall nötig und auch geplant. Das Projekt führte nicht nur zu internationalen Kooperationen, sondern auch zu einem zentralen Beitrag bei einem NSF-Workshop, zu dem wir eingeladen wurden. NSF versucht eine Kooperation zwischen Ingenieur- und Lebens-Wissenschaften zu initiieren, wohl in Anlehnung an das frühere DFG-Schwerpunktprogramm. NSF hat gleichermaßen festgestellt, dass eine solche Kooperation zu signifikanten Fortschritten im Verständnis der genetischen Struktur und Funktion führen kann. Dies war auch unsere eigene Erfahrung aus der gemeinsamen Arbeit.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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