Überflieger mit Gen-Faible

Feature | 10. September 2013 von Nicolas A. Zeitler 0

Der 32-jährige Karsten Borgwardt ist seit zwei Jahren Professor für Data Mining in den Lebenswissenschaften an der Universität Tübingen. (Foto: Max-Planck-Gesellschaft)

Wann Karsten Borgwardt seine Begeisterung für Wissenschaft entdeckte? Der Besuch im „Ontario Science Centre“ in Toronto als Jugendlicher sei so ein Moment gewesen, erinnert sich der 32-Jährige nach einigem Nachdenken. Für mathematische Probleme habe er sich schon als Schüler interessiert. Und programmieren konnte er im Teenager-Alter auch schon ein bisschen. „Aber keine gigantischen Softwarepakete“, sagt Borgwardt ganz bescheiden. Überhaupt will er gar kein großes Aufhebens darum machen, dass seine bisherige Laufbahn alles andere als ein ganz gewöhnlicher Werdegang eines Nachwuchswissenschaftlers ist. Wobei er sich sehr freut über die zahlreichen Auszeichnungen für seine Arbeit in den letzten Jahren, und den Forschungspreis, den er unlängst erhalten hat: Die Krupp-Stiftung hat Karsten Borgwardt mit dem Alfried-Krupp-Förderpreis ausgezeichnet; mit einer Million Euro Preisgeld eine der am höchsten dotierten Auszeichnungen für Nachwuchswissenschaftler in Europa. Einstimmig, so lässt die Stiftung wissen, entschied sich die Jury bei 52 weiteren Nominierten für Borgwardt als Preisträger.

Schon seit zwei Jahren ist Borgwardt Professor für „Data Mining in den Lebenswissenschaften“ an der Universität Tübingen. An der Ludwig-Maximilians-Universität München hat er Informatik studiert – vom ersten Semester an mit Biologie im Nebenfach. Als Stipendiat der Stiftung Maximilianeum bewarb er sich während des Studiums für ein Austauschprogramm an der Universität Oxford. Nicht in Informatik, sondern in seinem Nebenfach. „Die anderen Bewerber waren alle Biologen, trotzdem kam ich unter die letzten 15 und habe einen Platz bekommen“, sagt Borgwardt. Heute bezeichnet er die Zeit in Oxford als einen entscheidenden Augenblick seiner bisherigen Karriere. In einem viermonatigen Projekt befasste er sich mit Gensuche und stieß zum ersten Mal auf das Thema maschinelles Lernen. „So richtig deutlich geworden sind mir die Synergieeffekte zwischen den Disziplinen Biologie und Informatik dann bei meiner Diplomarbeit“, sagt Borgwardt. Das war 2004. Zu dieser Zeit verbrachte er gerade einen Forschungsaufenthalt am NICTA-Institut im australischen Canberra. Beworben hatte sich Borgwardt dort, weil ein Wissenschaftler, mit dessen Literatur er sich befasste, Stellen ausgeschrieben hatte.

Moderne Data-Mining-Technologie senkt Rechenaufwand drastisch

Den Ansatz, Datenanalyse mit biologischer Forschung zu verbinden, verfolgten schon zu Zeiten von Borgwardts Studium Forschergruppen weltweit. Eine Frage damals: Die Genomsequenz nach der Position von Genen zu durchsuchen, wie sich der Preisträger erinnert. „In den letzten Jahren hat die Arbeit auf diesem Feld durch neue Hochdurchsatzverfahren noch deutlich zugenommen“, sagt er. Statt nur nach Zusammenhängen zwischen der Aktivität eines von tausenden Genen und einer Krankheit suchen Wissenschaftler heute oft einzelne von hunderttausenden oder Millionen Positionen im Genom, deren Veränderungen mit bestimmten Erkrankungen einhergehen. Die Datenmenge ist um ein Vielfaches größer als früher. Gleichzeitig erlaubt heutige Data-Mining-Technologie, „den Rechenaufwand drastisch zu reduzieren“, wie Borgwardt sagt.

Daten-Pools von 100.000 Menschen analysieren

Gemeinsame Forschung von Informatikern und Genetikern

In seinen Analysen befasst sich Borgwardt, der neben seiner Professur eine Forschungsgruppe der Tübinger Max-Planck-Institute für Intelligente Systeme und Entwicklungsbiologie leitet, etwa damit, Graphen zu vergleichen, die aus Aminosäuren bestehen, den Bausteinen von Proteinen. Als er in Canberra forschte, fing er an, Proteindatenbanken zu untersuchen. Umfangreiche 3D-Datenbanken von Proteinen stehen der Forschung mittlerweile zur Verfügung. „Man weiß allerdings noch nicht von jedem Protein, an welchen Vorgängen es beteiligt ist“, sagt Karsten Borgwardt. Fußend auf der Annahme, dass Proteine mit ähnlicher Struktur auch ähnliche Funktionen haben, gehe es darum, in einer Datenbank solche Proteine aufzuspüren. Für seine Arbeit, effizient eine große Zahl von Graphen zu vergleichen, die die Strukturen von Proteinen darstellen, erhielt Borgwardt 2007 den Heinz-Schwärtzel-Dissertationspreis der Münchener Universitäten für die beste Doktorarbeit im Fach Informatik.

Genexpressionsdaten sind ein weiterer Forschungsgegenstand von Karsten Borgwardt. Sie geben die Aktivitätszustände aller Gene eines Menschen wieder. Indem Forscher diese messen, suchen sie nach Genen, die bei Kranken inaktiver oder aktiver sind als bei Gesunden – etwa bei Krebspatienten. Dasselbe Ziel, charakteristische Muster in den Erbinformationen Kranker zu entdecken, verfolgt Borgwardt, indem er nach Basen im Genom sucht, die bei Kranken ausgetauscht sind.

Data Mining in Datensätzen von 100.000 Menschen

Grundlage all dieser Studien sind umfangreiche Datensätze. 100.000 Positionen im Genom betrachte man oft für die Suche nach ausgetauschten Basen, sagt Borgwardt. Und das natürlich nicht bei Einzelpersonen, sondern bei Pools von um die 10.000 Gesunden und Kranken. Weltweit zusammengenommen, untersuche man häufig Datensätze von 100.000 Personen, sagt der Data-Mining-Experte. Umso größer die Zahl der Individuen, deren genetisches Profil in die Auswertung einfließt, umso genauer lassen sich auch schwächere statistische Zusammenhänge zwischen Genprofil und der Disposition für eine Krankheit erkennen.

Lesen Sie auf der nächsten Seite: Neue Algorithmen entwickelt

Letztlich zielt die Arbeit von Karsten Borgwardt darauf ab, auf den einzelnen Menschen zugeschnittene Therapien zu ermöglichen, personalisierte Medizin. Beantworten will er Fragen wie: Warum wirkt ein Arzneimittel bei einer Gruppe von Menschen, bei einer anderen aber nicht? Dabei legt der 32-Jährige Wert darauf, dass sein Tun auch die Informatik voranbringe: „Meine Forschungsgruppe entwickelt neue Algorithmen zur Datenanalyse. Sie sind die ersten konkreten Ergebnisse unserer Arbeit“, sagt er. Die Anwendung auf Fragen aus Biologie oder Medizin ist dann der zweite Schritt. Nach fünf Jahren Forschungstätigkeit in Tübingen nutzten nun internationale Konsortien seine Algorithmen und forschten damit zu chronischen Lungenerkrankungen oder Migräne. Prinzipiell können aber auch anderen Wissenschaftsbereiche und Anwendungsfelder mit Borgwardts Algorithmen neue Fragestellungen auf ihren Datenbeständen untersuchen.

Wann personalisierte Medizin im großen Stil Wirklichkeit sein wird, dazu will Karsten Borgwardt keine Prognose abgeben. „Zum Teil gibt es sie ja schon, wenn zum Beispiel genetische Tests auf vererbbare Krankheiten gemacht werden“, sagt er. Andererseits seien derzeit noch viele grundlegende Fragen zur Entstehung von Krankheiten offen. Antworten darauf zu finden, daran arbeitet ein von Borgwardt geleitetes Forschungsnetzwerk von 14 Laboren in acht Ländern, das die Europäische Union mit 3,75 Millionen Euro fördert. Auch hier hebt Karsten Borgwardt wieder die Verbindung von Informatik und Biologie, von Daten- und Lebenswissenschaften hervor: Die Hälfte der beteiligten Wissenschaftler kämen aus der Informatik, die Hälfte aus Fachrichtungen wie Genetik und Medizin.

Datensätze werden immer umfangreicher

Als eine der Aufgaben für die nächsten fünf Jahre sieht der Krupp-Preisträger, aus den immer umfangreicheren Datensätzen die Bestandteile herauszufiltern, die tatsächlich neue Erkenntnisse hervorbringen. „Denn dass wir immer mehr Daten zur Verfügung haben, heißt ja nicht unbedingt, dass wir automatisch immer mehr Wissen generieren“, sagt er. Die Arbeit an neuen Data-Mining-Algorithmen geht also weiter, um bisher unbekannte Zusammenhänge in großen Datenmengen zu entdecken. „In dieses Thema wird noch viel Energie fließen“, sagt Borgwardt.

Um die Energiespeicher zwischendurch wieder aufzuladen, verreisen Karsten Borgwardt und seine Frau am liebsten. Beide schätzen an ihrem „schönsten Hobby“ vor allem, andere Länder und Regionen kennen zu lernen. Und auch als Wissenschaftler kommt Karsten Borgwardt viel herum, zu Tagungen, Vorträgen oder Kooperationspartnern. „Als Doktorand war ich anfangs extrem überrascht, wie viel man dienstlich reist“, sagt Borgwardt. Südamerika, Australien, die USA und Asien, Europa sowieso: Allein in einem Jahr sei er auf fünf Kontinenten gewesen, um dort seine Arbeit zu präsentieren. Gleichzeitig hat er noch eine „lange Liste von Orten im Kopf, an denen ich noch nicht war.“ Einen konkreten Termin gibt es zwar noch nicht, aber Kollegen haben ihn zu einem Vortrag nach Südkorea eingeladen. Und privat steht auf seiner Liste der künftigen Reiseziele die katalanische Hauptstadt Barcelona ganz oben.

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