Genomforschung: Wie kann man sich das eigentlich vorstellen? Von der ersten Frage über Versuche im Labor bis zur Arbeit am Computer: Hier erfahren Sie, wie aus Proben und Daten Schritt für Schritt neue Erkenntnisse entstehen.
Die Genomforschung beschäftigt sich mit dem Erbgut von Lebewesen – also mit der Gesamtheit ihrer genetischen Informationen, dem sogenannten Genom.
Neue Erkenntnisse entstehen dabei nicht auf einmal. Sie wachsen Schritt für Schritt. Am Anfang steht eine Frage. Sie kann sich auf grundlegende Vorgänge in Zellen beziehen oder auf genetische Veränderungen bei Krankheiten.
Zum Beispiel:
Aus solchen Fragen entwickeln Forschende Versuche und Studien. Dabei werden biologische Proben, z.B. Zellen, Blut oder Gewebe, gesammelt und im Labor untersucht. Die dabei gewonnen Daten werden ausgewertet und Ergebnisse miteinander verglichen. Häufig fließen auch bereits vorhandene Daten ein. So wächst neues Wissen nach und nach.
Viele Studien sind nur möglich, weil Menschen freiwillig ihre Proben und Daten zur Verfügung stellen. Ihr Beitrag ist eine wichtige Grundlage für neue Erkenntnisse.
Die Genomforschung beschäftigt sich mit dem Erbgut von Lebewesen – also mit der Gesamtheit ihrer genetischen Informationen, dem sogenannten Genom.
Neue Erkenntnisse entstehen dabei nicht auf einmal. Sie wachsen Schritt für Schritt. Am Anfang steht eine Frage. Sie kann sich auf grundlegende Vorgänge in Zellen beziehen oder auf genetische Veränderungen bei Krankheiten.
Zum Beispiel:
Aus solchen Fragen entwickeln Forschende Versuche und Studien. Dabei werden biologische Proben, z.B. Zellen, Blut oder Gewebe, gesammelt und im Labor untersucht. Die dabei gewonnen Daten werden ausgewertet und Ergebnisse miteinander verglichen. Häufig fließen auch bereits vorhandene Daten ein. So wächst neues Wissen nach und nach.
Viele Studien sind nur möglich, weil Menschen freiwillig ihre Proben und Daten zur Verfügung stellen. Ihr Beitrag ist eine wichtige Grundlage für neue Erkenntnisse.
Aus einer Idee wird ein konkreter Plan. Forschende legen genau fest, wie sie vorgehen wollen.
Welche Proben oder Daten werden benötigt?
Je nach Fragestellung kommen verschiedene Ansätze zum Einsatz. Das können Laborversuche, Computermodelle, Studien mit Tiermodellen oder Patient*innen sein.
Welche Informationen sollen untersucht werden?
Manchmal geht es um Varianten im Erbgut, manchmal auch um andere Bestandteile von Zellen oder Geweben, wie Proteine oder Stoffwechselprodukte. Häufig werden genetische Informationen auch mit weiteren Gesundheitsdaten kombiniert, zum Beispiel mit Laborwerten oder Krankheitsverläufen.
Wie viele Daten werden gebraucht?
Forschung arbeitet selten mit Einzelfällen, auch wenn manchmal einzelne Fallstudien durchgeführt werden. Meist werden viele Proben oder große Datenmengen einbezogen. Solche Studien können Hunderte von Proben umfassen oder sogar Daten aus ganzen Bevölkerungen. Nur mit ausreichend Daten lassen sich verlässliche Aussagen treffen.
Wie werden aus Daten Ergebnisse?
Schon bei der Planung wird festgelegt, wie die Ergebnisse ausgewertet und verglichen werden. So wird sichergestellt, dass die Studie die Ausgangsfrage wirklich beantworten kann.
Was passiert vor Beginn der Studie?
Vor Beginn werden Anträge zur Finanzierung gestellt und Genehmigungen eingeholt. Sie stellen sicher, dass die Studie fachlich gut begründet ist und verantwortungsvoll durchgeführt wird.
Wenn Menschen an einer Studie beteiligt sind, prüft eine Ethikkommission das Vorhaben. Sie achtet darauf, dass die Rechte und der Schutz der Teilnehmenden gewahrt bleiben. Dazu gehört zum Beispiel, dass sie gut informiert sind und ihre Proben und Daten verantwortungsvoll genutzt werden.
Auch Tierversuche unterliegen strengen Vorgaben. Zuständige Gremien prüfen, ob sie notwendig sind oder ob es Alternativen gibt. Ziel ist es, Belastungen für die Tiere so gering wie möglich zu halten.
Erst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, beginnt die praktische Arbeit.
In vielen Studien werden biologische Proben untersucht, etwa Blut, Speichel oder Gewebe. Welche Proben geeignet sind, hängt von der jeweiligen Frage ab.
Bei Studien mit Menschen stammen diese Proben meist aus der Zusammenarbeit mit Kliniken. Sie werden nur mit Einwilligung der Teilnehmenden entnommen, etwa im Rahmen von medizinischen Untersuchungen oder Eingriffen.
Neben Patient*innen stellen auch gesunde Menschen Proben oder Daten zur Verfügung. Sie dienen als wichtige Vergleichsgruppe. Denn viele genetische Varianten sind harmlos und Teil der natürlichen Vielfalt.
Bevor aus einer Probe Daten entstehen, wird sie im Labor vorbereitet. Dabei werden gezielt die Bestandteile gewonnen, die untersucht werden sollen, etwa das Erbgut.
Dieser Schritt ist entscheidend. Nur sorgfältig verarbeitete Proben liefern zuverlässige Ergebnisse. Fehler oder Verunreinigungen zu Beginn können sich auf alle weiteren Schritte auswirken.
Probenmaterial ist oft begrenzt und empfindlich. Viele Arbeitsschritte sind mittlerweile standardisiert und teilweise automatisiert, was die Abläufe schneller und weniger fehleranfällig macht. Das erhöht die Genauigkeit und sorgt dafür, dass Ergebnisse zwischen verschiedenen Laboren vergleichbar bleiben.
Moderne Verfahren kommen zudem mit sehr wenig Material aus. Selbst einzelne Zellen lassen sich heute untersuchen. Solche Einzelzelluntersuchungen zeigen, dass sich Zellen innerhalb eines Gewebes deutlich unterscheiden können. Das ist besonders wichtig für die Krebsforschung oder die Erforschung von Entwicklungsprozessen.
Nach der Vorbereitung werden die Proben mit speziellen Verfahren und Geräten ausgelesen.
Wird das Erbgut untersucht, bestimmen Forschende die genaue Reihenfolge der DNA-Bausteine. Diesen Vorgang nennt man Sequenzieren. Je nach Fragestellung werden einzelne Abschnitte oder das gesamte Genom, also das vollständige Erbgut, erfasst. Moderne Geräte können auch längere DNA-Abschnitte am Stück lesen. So werden größere strukturelle Veränderungen im Genom sichtbar. Erfahren Sie mehr dazu, wie das Erbgut ausgelesen wird.
Am Ende entstehen große Mengen digitaler Rohdaten, die weiterverarbeitet werden.
Fachleute aus Biologie, Medizin und Bioinformatik arbeiten eng zusammen. Kliniken stellen Proben bereit und begleiten Studien. Oft arbeiten Forschende aus verschiedenen Einrichtungen und Ländern gemeinsam an Projekten.
Labore verfügen über besondere Verfahren oder Geräte, zum Beispiel für das Sequenzieren oder die Untersuchung von Proteinen. Bioinformatische Einrichtungen stellen leistungsfähige Computer und das notwendige Fachwissen für die Auswertung von Daten bereit.
Erst durch diese Zusammenarbeit entsteht ein Gesamtbild, das einzelne Arbeitsgruppen allein nicht erreichen können.
Das vollständige Genom eines Menschen kann Daten im Umfang von bis zu 200 Gigabyte erzeugen. Das entspricht etwa 40 Spielfilmen. Die Daten müssen geprüft, geordnet und verglichen werden. Dieser Teil der Forschung findet vor allem am Computer statt.
Hier kommt die Bioinformatik ins Spiel. Sie verbindet Biologie mit Informatik, Mathematik und Statistik. Spezielle Programme helfen dabei, die Daten zu strukturieren und Zusammenhänge sichtbar zu machen.
Erst durch diese rechnergestützte Auswertung wird aus vielen einzelnen Messwerten ein verständliches Gesamtbild.
Bevor die eigentliche Auswertung beginnen kann, werden die im Labor gewonnenen Rohdaten überprüft und aufbereitet.
Moderne Sequenzierverfahren liefern viele Millionen kurze DNA-Abschnitte. Diese müssen am Computer zunächst wie ein Puzzle zusammengesetzt und der richtigen Stelle im Erbgut zugeordnet werden. Messfehler oder technische Störungen werden erkannt und soweit möglich korrigiert. Auch Unterschiede, die entstehen können, weil Labore unterschiedliche Geräte oder Verfahren nutzen, werden so ausgeglichen.
Nur wenn Daten verlässlich und untereinander vergleichbar sind, lassen sich echte biologische Unterschiede erkennen.
Dieser Schritt ist auch aus einem anderen Grund wichtig: Große Berechnungen verbrauchen viel Zeit und Energie. Gut vorbereitete Daten lassen sich effizienter verarbeiten.
Anschließend werden die Daten systematisch ausgewertet und nach wiederkehrenden Mustern durchsucht.
Nach dem Lesen der DNA gleicht man die Sequenz mit einem bekannten Referenzgenom ab. So lassen sich genetische Veränderungen finden.
Danach werden verschiedene Gruppen miteinander verglichen, etwa gesunde und erkrankte Personen, unterschiedliche Zelltypen oder verschiedene Zeitpunkte der Probenentnahme. So werden Muster sichtbar, die mit bestimmten Eigenschaften oder Krankheitsverläufen zusammenhängen können. Statistische Verfahren helfen einzuschätzen, ob ein Zusammenhang echt ist oder zufällig entstanden sein könnte.
Die Auswertung großer Datenmengen benötigt leistungsfähige Computer. Manche Berechnungen laufen über viele Stunden oder sogar Tage.
Das kostet Energie. Deshalb achten Forschende darauf, Rechenprozesse effizient zu gestalten. Programme werden so entwickelt, dass sie möglichst ressourcenschonend arbeiten. Auch spezielle Hardware oder parallele Rechenverfahren helfen, Zeit und Strom zu sparen.
So gehört auch Nachhaltigkeit zunehmend zum verantwortungsvollen Forschen.
Forschung endet nicht mit der ersten Auswertung am Computer. Damit aus einzelnen Ergebnissen verlässliches Wissen entsteht, werden diese sorgfältig geprüft, in den aktuellen Wissensstand eingeordnet und mit anderen Forschenden geteilt.
Dieser Prozess sorgt dafür, dass Erkenntnisse nachvollziehbar bleiben, hinterfragt werden und sich Schritt für Schritt weiterentwickeln. So entsteht aus vielen einzelnen Studien ein belastbares wissenschaftliches Gesamtbild.
Bevor Ergebnisse veröffentlicht werden, prüfen Forschende sie sehr genau. Das geschieht zum Beispiel durch den Abgleich mit unabhängigen Daten, oder wenn Daten aus weiteren Experimenten oder zusätzliche Studien ergänzt werden. Erst wenn sich ein Zusammenhang mehrfach bestätigt, entsteht daraus gesichertes Wissen.
Auch der Vergleich mit früheren Studien ist wichtig. Passen die neuen Ergebnisse zu bereits bekannten Erkenntnissen? Oder ergeben sich neue Fragen?
So wird sichergestellt, dass Ergebnisse nachvollziehbar sind und nicht auf Zufall oder einzelnen Beobachtungen beruhen.
Viele Studien werden in Fachzeitschriften veröffentlicht. Bevor ein Artikel erscheint, prüfen unabhängige Expert*innen die Arbeit. Sie schauen, ob die Methoden, Auswertungen und Schlussfolgerungen nachvollziehbar sind.
Erst danach wird die Studie veröffentlicht. Andere Forschende können dann nachlesen, was bereits bekannt ist, und ihre eigenen Arbeiten darauf aufbauen. Auf diese Weise entwickelt sich wissenschaftliches Wissen Schritt für Schritt weiter: Neue Studien können frühere Ergebnisse bestätigen oder verfeinern. Manchmal zeigen sie auch, dass Zusammenhänge anders sind als zunächst gedacht.
Auch auf Konferenzen stellen Forschende ihre Ergebnisse vor. Dort diskutieren sie ihre Arbeit mit Kolleg*innen und entwickeln neue Ideen für weitere Studien.
So werden Ergebnisse nicht nur sichtbar gemacht, sondern auch diskutiert, geprüft und weiterentwickelt.
Genetische Daten werden häufig in zentralen Datenbanken gespeichert. Wenn Patient*innen zugestimmt haben, dass ihre Daten für die Forschung genutzt werden dürfen, können Forschende sie über sichere Verfahren einsehen. Auf diese Weise tragen die Daten dazu bei, nicht nur eine einzelne Frage, sondern viele verschiedene Forschungsfragen zu beantworten.
Diese sogenannte Sekundärnutzung bringt die Forschung weiter. Zum Beispiel:
Durch das Teilen von Daten können Forschende Zusammenhänge besser verstehen und neue medizinische Ansätze entwickeln, ohne immer wieder neue Proben zu benötigen.
Ihre genetischen Daten können die Forschung entscheidend voranbringen – und so dazu beitragen, Diagnosen und Behandlungen für alle zu verbessern. Doch was bedeutet das Teilen für Sie und Ihre Familie?
Forschung entwickelt sich ständig weiter. Neue Technologien verbessern die Art und Weise, wie Daten gewonnen, ausgewertet und kombiniert werden.
Früher stand oft ein einzelnes Gen oder ein begrenzter Abschnitt des Erbguts im Mittelpunkt. Heute können ganze Genome untersucht und mit vielen weiteren biologischen Informationen kombiniert werden. Gleichzeitig wachsen die Datenmengen rasant. Das eröffnet neue Möglichkeiten, stellt die Forschung aber auch vor neue Herausforderungen.
Viele biologische Vorgänge lassen sich erst verstehen, wenn unterschiedliche Informationen gemeinsam betrachtet werden.
Deshalb werden in der modernen Genomforschung mehrere Ebenen zusammengeführt, die jeweils einen anderen Blick auf das Geschehen in der Zelle liefern:
Jede dieser Ebenen erfordert eigene Labormethoden und spezielle Programme zur Auswertung. Früher wurden diese Informationen meist getrennt untersucht. Heute können sie zunehmend miteinander verknüpft werden. Dafür werden die unterschiedlichen Ebenen am Computer zusammengeführt und gemeinsam ausgewertet. Teilweise können die Daten sogar aus derselben Probe oder einzelnen Zellen gewonnen werden. Erfahren Sie mehr über Omics-Daten und ihre Anwendung.
Zunehmend werden genetische Daten auch mit hochauflösender Bildgebung kombiniert. Damit wird sichtbar, wo sich bestimmte Zellen im Gewebe befinden und wie sie zusammenarbeiten.
Durch diese kombinierten Ansätze entsteht ein umfassenderes Bild davon, wie genetische Informationen genutzt werden und wie sich Zellen etwa bei Krankheiten verändern. So lässt sich zum Beispiel prüfen, ob eine Veränderung im Erbgut tatsächlich beeinflusst, wie aktiv ein Gen ist und welche Folgen das für die Zelle hat.
Dieses Wissen eröffnet neue Möglichkeiten, um Unterschiede zwischen Menschen genauer zu erfassen, Krankheiten besser zu verstehen oder Behandlungen gezielter zu entwickeln.
Künstliche Intelligenz ermöglicht es uns, in hochkomplexen biologischen Daten Zusammenhänge zu erkennen, die sonst verborgen bleiben – doch sie ist und bleibt ein Werkzeug, bei dem die Entscheidung beim Menschen liegt.
Prof. Oliver Stegle ist Bioinformatiker und KI-Experte. Er leitet Forschungsabteilungen am DKFZ und am EMBL in Heidelberg.
Je mehr unterschiedliche Daten kombiniert werden, desto komplexer wird die Auswertung. Hier kommt zunehmend künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz. Im Unterschied zu klassischen Programmen, die festen Regeln folgen, können solche lernenden Systeme Muster aus vielen Beispielen ableiten. Anschließend wenden sie diese gelernten Muster auf neue Daten an. So können sie Zusammenhänge finden, die vorher nicht direkt sichtbar waren.
Damit kann künstliche Intelligenz helfen:
Solche Systeme erweitern die Möglichkeiten der Forschung deutlich. Sie helfen dabei, Einsichten aus großen Datenmengen zu gewinnen und neue wissenschaftliche Fragestellungen zu entdecken. Langfristig können sie auch dazu beitragen, Vorsoge und Behandlung stärker auf einzelne Menschen abzustimmen.
Allerdings sind solche Modelle nicht unfehlbar. Wie zuverlässig ihre Ergebnisse sind, hängt stark von den zum Lernen genutzten Daten ab. Sind diese beispielsweise zu einseitig, können die folgenden Auswertungen verzerrte Ergebnisse liefern. Deshalb werden KI-basierte Ergebnisse immer von Fachleuten geprüft und kritisch eingeordnet.
DeepRVAT ist ein Beispiel dafür, wie künstliche Intelligenz in der Genomforschung eingesetzt wird. Es hilft Forschenden dabei, den Einfluss seltener genetischer Veränderungen systematisch zu untersuchen. Dafür betrachtet die KI genetische Daten von vielen Menschen. Sie erkennt dabei Muster, die zeigen, wie bestimmte genetische Veränderungen die Funktion eines Gens beeinflussen könnten.
Das Verfahren kann dazu beitragen:
Solche Verfahren helfen dabei, auch seltene genetische Veränderungen in großen Datensammlungen zu berücksichtigen und ihre mögliche Bedeutung für Gesundheit und Krankheit zu untersuchen.
Wie kann Genommedizin dabei helfen, Krankheiten zu erkennen und Behandlungen zu verbessern? Hier erfahren Sie, wie genetische Daten genutzt werden, um Diagnosen genauer zu stellen und Behandlungen passgenau zu gestalten.
Die Genomforschung ist vielfältig: Sie reicht von der Untersuchung grundlegender biologischer Prozesse bis zur Erforschung von Krankheitsursachen. Hier erhalten Sie einen Überblick über zentrale Forschungsbereiche.
Wer genetische Daten für die Forschung teilen möchte, steht vor wichtigen Fragen: Die Informationen betreffen Ihre eigene Gesundheit und die Ihrer Familie. Hier finden Sie Antworten, die Sie bei Ihrer Entscheidung unterstützen.
