Räumlich-zeitlich aufgelöste Einzelzell-Bioinformatik

Die rasante Entwicklung von (RNA-)Sequenzierungstechnologien mit beispiellosem Durchsatz und hoher Auflösung ermöglicht es uns, detaillierte molekulare Profile für Millionen einzelner Zellen aus menschlichem Gewebe oder Körperflüssigkeiten und sogar für einzelne krankheitsverursachende Keime zu erfassen. Neuste experimentelle Ansätze, bei denen Methoden zur individuellen räumlichen Markierung von RNA-Molekülen aus einzelnen Zellen für die anschließende Hochdurchsatz-Sequenzierung kombiniert werden, eröffnen eine Vielzahl potenzieller Möglichkeiten der Untersuchung zellulär-räumlicher Muster bei Infektionskrankheiten (Spatial Transcriptomics). Für eine tiefere Analyse der Sequenzierungsdaten und die Entdeckung funktioneller Zusammenhänge sind fortgeschrittene integrative Werkzeuge aus der Bioinformatik erforderlich. Darüber hinaus spielen einige bekannte, aber auch bisher verborgene technische Faktoren eine wichtige Rolle bei der Datengenerierung und beeinflussen daher immer unser Vorgehen zur maschinellen Interpretation der Ergebnisse. Deshalb nutzen wir in enger Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen auf diesem Gebiet verschiedene hochmoderne Technologielösungen (z.B. Visium, STOmics), um unsere Modelle und Programme unter ganz verschiedenen Versuchsbedingungen zu testen. In erster Linie sind wir auf der Suche nach interessanten und anspruchsvollen Anwendungen in den Bereichen Infektion, Neurodegeneration und Antibiotika-Forschung, um letztlich die Kartographie zellulärer und molekularer Merkmale als Grundlage für neue Zielmoleküle zu verbessern.

Biologische Barrieren sind ein wesentliches Mittel des menschlichen Körpers zur Herstellung bestimmter physiologischer Bedingungen und spielen eine wichtige Rolle für unser Immunsystem. In erster Linie halten sie einzelne Gewebekompartimente voneinander getrennt und verschiedene Bereiche steril, d.h. frei von zirkulierenden Mikroben. Es gibt zahlreiche Beispiele für menschliche Krankheiten, bei denen gestörte biologische Schnittstellen bzw. Barrieren eine der Hauptursachen für den Eintritt von Krankheitserregern sind. Gleichzeitig besteht die ständige Herausforderung bei der Entwicklung von Arzneimitteln darin, kleine oder eben natürlich abgeleitete, meist komplexere Wirkstoffe zu einem bestimmten Zeitpunkt und in einer bestimmten Konzentration über diese Barrieren hinweg zu transportieren. Daher sind wir daran interessiert, die Genexpressionsprogramme der oft sehr spezialisierten Zellen wie Epi- oder Endothelzellen sowie der peripheren Immunzellen, die sich an den Schnittstellen des Gewebes befinden, aufzudecken und herauszufinden, wie wir diese für die gezielte Anwendungen von Wirkstoffen nutzen können. Deshalb erkennen wir ein großes Potenzial für eine Klasse von Medikamenten, die in der Lage sind, fehlregulierte Zellen der Barrieren auf molekularer Ebene zu reparieren und so möglicherweise eine Therapie am Menschen zu unterstützen.

In der Bioinformatik werden routinemäßig enorme Datenmengen verschiedenster Art verarbeitet. Insgesamt gibt es einen starken Trend hin zu exponentiell steigenden Datenmengen und einer immer komplexeren Landschaft von experimentellen Techniken. Daher besteht in unserer wissenschaftlichen Gemeinschaft ein dringender Bedarf an offenen, flexiblen und hocheffizienten Formaten für die Speicherung sowie den Austausch von biomedizinischen Daten. Unsere Gruppe folgt dem FAIR-Prinzip und stützt sich auf unsere bisherigen Erfahrungen bei der Entwicklung von weit verbreiteten und von Experten begutachteten Online-Ressourcen wie etwa Datenbanken und Webservern. Wir stellen der wissenschaftlichen Gemeinschaft kontinuierlich neue Software und experimentelle Datensätze zur Verfügung und legen Wert darauf, hinreichend vorverarbeitete und umfassende Datensammlungen bereitzustellen, die letztlich auch KI-kompatibel sind. Wir sprechen uns dafür aus, Transparenz und Reproduzierbarkeit in diesen Bereichen zu ermöglichen bzw. zu stärken, und investieren daher auch in die Erforschung der Frage, wie wir Software und KI in diesen, heutzutage wesentlichen Aspekten maßgeblich verbessern können. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten wir ebenfalls mit unseren Helmholtz-Kollegen vom CISPA Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit zusammen.