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INCIDE - IT-Lösungen für die Life Sciences

Moderne Forschungsansätze in den Naturwissenschaften erzeugen immer größere Datenmengen, die häufig nur mit Hilfe spezieller Software ausgewertet werden können. Das Forschungszentrum INCIDE an der Universität Konstanz bietet Datenverarbeitungs-Dienstleistungen zur Entwicklung und Anpassung solcher Programme für die Life Sciences an. Dafür arbeiten die INCIDE-Mitarbeiter eng mit den Wissenschaftlern zusammen. Dieses erfolgreiche Konzept soll künftig auch für externe Projekte genutzt werden können.

Prof. Dr. Oliver Deussen leitet das Forschungszentrum INCIDE an der Universität Konstanz. © privat

Ob bei der Bildanalyse, beim High-Throughput-Screening (HTS) oder der Genom-Entschlüsselung: Ohne spezielle Datenverarbeitungsprogramme ist die Informationsflut nicht zu bewältigen. Um die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen zu finden, entwickeln IT-Experten ständig neue Programme und Methoden, die die Naturwissenschaftler in ihrer Arbeit unterstützen. Das ist auch beim Forschungszentrum INCIDE der Universität Konstanz der Fall. Das „Interdisciplinary Center for Interactive Data Analysis, Modelling and Visual Exploration“ entwickelt Methoden für die Verarbeitung und Beurteilung von hoch komplexen wissenschaftlichen Datensammlungen. Das Zentrum verbindet unter anderem die Forschungsbereiche der Konstanzer Informatik und Informationswissenschaften mit der Graduiertenschule Chemische Biologie, dem Fachbereich Mathematik und Statistik sowie dem Graduiertenkolleg „Explorative Analysis and Visualization of Large Information Spaces“.

Gemeinsam werden maßgeschneiderte Lösungen für die verschiedenen Fragestellungen entwickelt. Von der engen Zusammenarbeit zwischen Informatikern auf der einen Seite und Biologen und Chemikern auf der anderen profitieren beide Parteien. Für die Naturwissenschaftler ergeben sich so völlig neue Möglichkeiten zur Datenauswertung und damit auch für neue Experimente. Doch auch den Informatikern bringt die Projektarbeit viele neue Erkenntnisse. „Durch die Entwicklung von Programmen für die einzelnen Fragestellungen erhalten wir auch immer wieder Impulse für neue Forschungsansätze im Bereich der Datenvisualisierung“, erklärt Prof. Dr. Oliver Deussen, der Leiter des Forschungszentrums. Der Erfolg des interdisziplinären Ansatzes lässt sich sogar beziffern: Seit der Gründung 2009 wurden durch INCIDE bereits 30 Projekte erfolgreich umgesetzt, woraus zwölf Publikationen hervorgingen.

Unterstützung bei jeder Fragestellung

Versuchsaufbau zur Untersuchung des Riechvorgangs bei Bienen © Prof. Giovanni Galizia, Universität Konstanz

„Nachdem die Forscher auf uns zugekommen sind, versuchen wir erst einmal, die Problemstellung wirklich zu verstehen, was oft viel Wissen in der Biologie und Chemie erfordert“, erläutert Deussen. Anhand dieses ersten Eindrucks werden dann der Aufwand und die Art des Supports abgeschätzt. Je nach Aufgabenstellung und Ansprüchen bieten die Informatik-Experten ihre fachliche Unterstützung auf verschiedenen Ebenen an: Basic, Mid-level- und High-level-Support.

Gibt es bereits Standardprogramme, welche die Aufgabe erledigen können, so handelt es sich um Basic Support, bei dem die INCIDE-Mitarbeiter sich um Beratung und Training der Naturwissenschaftler kümmern, so dass diese die Programme selbst anwenden können. Bei Problemstellungen, die in den Mid-level-Support fallen, handelt es sich um aufwendigere Fragestellungen, die von den Forschern nicht mit Standardmethoden, aber beispielsweise durch Modifikationen eines Programms gelöst werden können. „Das kann beispielsweise die Anpassung eines bereits bestehenden Bildauswertungsverfahrens sein, welches dann die Beurteilung oder Erkennung bestimmter Zellzustände erlaubt“, erläutert Deussen. An dieser Stelle sind Abänderungen bekannter Algorithmen notwendig, um das Programm an die jeweilige Aufgabenstellung anzupassen.

Der High-level-Support kümmert sich um anspruchsvolle Fragestellungen, für deren Lösung meist komplett neue Methoden und Programme entwickelt werden müssen. Ein Projekt, das in diese Kategorie fiel, war die Entwicklung und Programmierung eines sehr effizienten Bildauswertungsverfahrens, das für die Klassifikation neuronaler Reaktionen beim Riechvorgang von Bienen eingesetzt werden kann. „Durch die damit erreichte schnelle Darstellung kann der Experimentator interaktiv den Versuch steuern. Er sieht quasi, wie die Biene denkt“, beschreibt Deussen. Allerdings ist es nicht immer möglich, eine Fragestellung von Anfang an genau einzuordnen. „Es handelt sich eher um einen Entwicklungsprozess auf dem Weg zu richtigen Lösung“, verdeutlicht der Informatiker.

Kooperation und Austausch als Schlüssel zum Erfolg

Die von INCIDE entwickelten Programme werden auch als Open-Source-Software zur Verfügung gestellt und auf Plattformen wie etwa KNIME eingepflegt, welche vor einigen Jahren ebenfalls von Konstanzer Informatikern entwickelt wurde. Der öffentliche Zugang zu diesen Plattformen ermöglicht einen breiten Zugriff auf die Software und deren nachhaltige Nutzung. Mit den bereits dort veröffentlichten Programmen von INCIDE ist zum Beispiel die Analyse von Bildsequenzen möglich, auf denen Objekte wie etwa Zellen gefunden werden müssen. „Wir haben aber auch spezialisierte Anwendungen programmiert, die bei der Datenauswertung von Laborrobotern in der Zellbiologie helfen, indem Reaktionstypen von Zellkulturen klassifiziert und bewertet werden“, ergänzt  Deussen.

In der Vergangenheit konnte INCIDE bereits wertvolle Kooperationen mit Forschungszentren in den Bereichen Biologie und Informatik aufbauen, wie etwa mit dem Bioimaging Center (BIC) der Universität Konstanz. „Wir bieten Datenverarbeitungs-Dienstleistungen für alle Forscher aus den Lebenswissenschaften an und sind dabei auch klar international und überregional ausgerichtet“, bestätigt Deussen. Doch es werden natürlich auch lokale Unternehmen und Forschungspartner gezielt unterstützt.

Das Forschungszentrum INCIDE wurde 2009 als Baustein des Zukunftskonzeptes „Modell Konstanz – für eine Kultur der Kreativität“ im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder geschaffen. Bis 2015 wird es von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell gefördert. Neben der Intensivierung der Kooperationen und der Erweiterung der Serviceleistungen soll in dieser Zeit auch ein Konzept für die Langzeitfinanzierung entwickelt werden.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/incide-it-loesungen-fuer-die-life-sciences