Die vollständige Sequenzierung des Genoms mit Superrechnern

[EdmundBlackadder]

www.max-wissen.de: Reportagen - [29.02.2008]
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Prozessoren puzzeln am Buch des Lebens

Zitate:
Superrechner vergleichen kurze Genschnipsel aus dem Sequenzierer und setzen die darin enthaltene Information zu kompletten Genomen zusammen. Doch wenn es um die korrekte Zuordnung der entdeckten Gene geht, schlägt die Erfahrung eines Experten die Rechenkraft der Parallelcomputer ? wie die Arbeit von Stephan Schuster am Tübinger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie zeigt.

Ein Job für schnelle Superrechner

Zum Zusammensetzen dieses Wusts an genetischen Puzzlestücken brauchen die Forscher den Computer. ?Durch die zufällige Zerschlagung des Genoms zu Beginn entstehen natürlich Bruchstücke, die sich in ihrem Informationsgehalt teilweise überschneiden. Aufgabe des Computers ist es dann, Inserts, die teilweise gleiche Basenreihenfolgen tragen, zu erkennen und sie anhand dieser Übereinstimmungen zu größeren Sequenzen, so genannten Contigs zusammenzusetzen,? sagt Schuster. Außerdem gilt es, DNA-Passagen aufzuspüren, die die zu ?Brutzwecken? verwendeten E. coli-Bakterien gelegentlich aus ihrem 4,6-Mega-Basenpaare umfassenden Genom in die vermeintliche Wolinella-Sequenz einschmuggeln.

Diese Aufgaben sind wie gemacht für schnelle, parallel arbeitende Superrechner, deren Prozessoren sich das Durchsuchen der digitalisierten Gen-Bruchstücke teilen. Die Rechner verfügen über einen genügend großen Arbeitsspeicher, um die Basenreihenfolge aller sequenzierten Inserts und Contigs in ihrem Gedächtnis zu halten ? und sie weisen vor allem genügend schnelle Datenleitungen auf, um den extrem hohen Datenverkehr zwischen Prozessor und Speicher auch ausreichend schnell abwickeln zu können. Vernetzte Personal-Computer wären trotz ihrer inzwischen sehr schnell gewordenen Prozessoren insbesondere in diesen Disziplinen überfordert.

Am Wolinella-Genom arbeitet daher zurzeit ein auf den Namen DARWIN getaufter Parallelrechner mit acht Prozessoren, 32 Gigabyte Hauptspeicher und 800 Gigabyte Festplattenkapazität. Dies ist die erste größere Bewährungsprobe für DARWIN. Doch auch, wenn ein Rechner die harte Knochenarbeit beim großen Tübinger Genom-Puzzle übernimmt: Der Mensch ist weiterhin gefragt. Tatsächlich kann sogar immer noch das richtige ?Handwerk? der Genomforscher über Wohl und Wehe eines Sequenzierprojekts entscheiden. Zum Beispiel, wenn es darum geht, Lücken im Genom zu überbrücken. Wie in allen Organismen gibt es nämlich auch im Wolinella-Code lange Abschnitte, die nur aus Wiederholungen ein und derselben Basenfolge bestehen, so genannte Repeats.

Wie kann man herausfinden, welche Inserts, deren Sequenz mit einem Repeat endet, benachbart sind? Hier besteht die Gefahr, dass der Computer diese Stücke falsch zusammenklebt ? mit fatalen Folgen. Denn bringt man die Reihenfolge der Gene im Genom durcheinander, verliert man wichtige Informationen, weil funktionell zusammenhängende Gene eben oft auch in räumlicher Nähe zueinander ? in so genannten Operons ? auf dem Chromosom untergebracht sind.

"Noch vor Jahren hieß es: ?ein Doktorand ? ein Gen? bei Bakterien."

Wie dick das Lebensbuch des Zebrafischs einmal werden wird, lässt sich noch nicht genau sagen. Das Genom dieses Tiers umfasst etwa 35.000 Gene, codiert in rund 1,7 Milliarden Basenpaaren. Der Mensch hat etwa genauso viele Gene, allerdings sind die in etwa doppelt so vielen Basenpaaren untergebracht. Dennoch: Die Rechenleistung, die zur Bewältigung dieses Datenbergs benötigt wird, ist enorm. Das Garchinger Rechenzentrum hat für das Projekt denn auch bereits einen weiteren Superrechner in der Hinterhand: einen Digital-Boliden mit 6x32 Prozessoren und 6x96 Gigabyte Hauptspeicher ? in der ersten Ausbaustufe.

usw.

Euer Edmund