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Robert Murphy – Intelligente Computer und Einblicke in Zellen

Werden wir Menschen, die wir aus Milliarden von Zellen und Abermilliarden von Molekülen aufgebaut sind, je unsere eigene Komplexität verstehen? Robert F. Murphy, External Senior Fellow am Freiburg Institute for Applied Studies (FRIAS), ist einer der Vorreiter der sogenannten Computational Biology. Diese Disziplin setzt Methoden der Mathematik und Informatik ein, um biologische Systeme wie die Zelle in ihrer Komplexität zu untersuchen. Die Fortschritte in diesem Bereich sind relevant für die medizinische und pharmazeutische Forschung, aber auch für die landwirtschaftliche Industrie.

Prof. Dr. Robert F. Murphy © FRIAS

Das Denken gehört zu seinem Kerngeschäft. Robert F. Murphy ist External Senior Fellow an der School of Life Sciences – LifeNet des Freiburg Institute for Applied Studies (FRIAS). Außerdem ist er Inhaber der Ray and Stephanie Lane Professur für Computational Biology und Professor für Biologische Wissenschaften, Biomedizinisches Engineering und Maschinen-Lernen an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh (USA).

Seine amerikanische Arbeitsgruppe beschäftigt sich vor allem mit der Frage, wie es möglich ist, den Aufenthaltsort von Proteinen in einer Zelle objektiv zu bestimmen. Proteine gehören zu den wichtigsten biologischen Molekülklassen. Sie bilden zum Beispiel das Skelett, das der Zelle ihre Form gibt, sie regeln die Kommunikation mit anderen Zellen oder vermitteln den Stoffwechsel. „Systembiologen versuchen heute, die komplexen dynamischen Wechselwirkungen zwischen den molekularen Mitspielern in einer Zelle in ihrer Gesamtheit zu erfassen“, sagt Murphy. „Das geht nur, wenn sie die Verteilung dieser Mitspieler innerhalb der Zelle kennen.“ Und hierfür sind die Mathematik und die Informatik unverzichtbar.

Pflanzliches Wachstum und menschliche Krankheiten

Murphy hat sich mit diesem Problem früh beschäftigt. Nach seinem Biochemie-Abschluss an der Columbia University in New York im Jahr 1974 interessierte er sich für die Mechanismen, die den Transport von Membranproteinen im Inneren der Zelle regeln. Im Rahmen seiner Doktorarbeit am California Institute of Technology in Pasadena verfolgte er den Weg verschiedener Transportvesikel in der Zelle. Er setzte dazu das Fluoreszenzmikroskop ein, das mit Farbstoffen markierte Moleküle sichtbar machen kann. Die Zellbiologie hatte damals nur das bloße Auge, um die leuchtenden Mikroskopbilder zu interpretieren. „Ich wartete jahrelang darauf, dass jemand Werkzeuge entwickeln würde, um solche Bilder auf automatisierte und damit objektive Weise auszuwerten“, sagt Murphy. „Dann habe ich selbst damit angefangen.“ Inzwischen sind es vor allem die Mathematik und viel Programmierarbeit, die ihn und seine Forschungsgruppe umtreiben. In seiner Heimat gleicht der Amerikaner diese Kopfarbeit gerne mit Basketballspielen und den Besuchen im Baseball-Stadion aus.

Am FRIAS arbeitet Murphy eng mit der Arbeitsgruppe des Internal Senior Fellow Klaus Palme zusammen. Gefördert durch den Humboldt-Forschungspreis konnte er den Sommer 2008 in Freiburg verbringen. In dieser Zeit ersannen die Forscher Experimente an Pflanzenzellen, die zeigen sollten, welche Wirkung potenzielle pharmazeutische Wirkstoffe auf den Aufenthaltsort von bestimmten Proteinen haben. Diese Fragestellung ist etwa für die Landwirtschaft wichtig, denn viele Proteine, die Krankheiten auslösen oder das pflanzliche Wachstum fördern, können auf diese Weise entdeckt werden. Und weil auch viele menschliche Krankheiten durch die fehlerhafte Verteilung von Proteinen ausgelöst werden, könnte die Methode in Zukunft auch für die Pharmaindustrie nützlich werden. “Für mich war das extrem spannend, denn bisher hatten wir unsere Verfahren nur in tierischen Zellen erprobt”, sagt Murphy. “Grüne Zellen sind komplizierter, weil sie eine viel größere morphologische Vielfalt aufweisen.”

Eine immer größere Rolle für Computer

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von pflanzlichen Protoplasten, die mithilfe eines automatisierten Verfahrens gemacht wurde. Rot zeigt an, dass es sich bei den Protoplasten um Chloroplasten handelt. Die blaue Färbung zeigt an, dass eine Zelle tot ist, und grün zeigt, wo sich ein genetisch-markiertes Protein (Talin) aufhält © Joshua Kangas / Dr. Roland Nitschke (ZBSA Freiburg)

Murphy entwickelte ein Computerprogramm, das die Orientierung behält in jenen extrem heterogenen „Landschaften“, die die unterschiedlichen mikroskopischen Aufnahmen von Pflanzenzellen zeigen können. Als Landmarken kalkuliert das Programm sogenannte Subcellular Location Features (SLFs). „SLFs sind Werte, die man berechnen kann, um ein Bild zu beschreiben“, erklärt Murphy. „Das kann die Nähe eines Objekts zum Zentrum des Bildes sein, aber auch komplizierte Aspekte wie die Bildtextur.“ Die ersten Experimente sind erfolgreich abgeschlossen. Jetzt versuchen die Forscher, die Präparation der Pflanzenzellen zu automatisieren. In Zukunft soll ein Roboter die Zellen in einem standardisierten Verfahren aus den Pflanzen gewinnen. Das wäre für systembiologische Hochdurchsatz-Versuche eine enorme Erleichterung.

Computer werden laut Murphy in den Life Sciences eine immer größere Rolle spielen. Und damit ist er schon bei der großen erkenntnistheoretischen Frage. „Ich glaube nicht, dass irgendjemand irgendwann in der Lage sein wird, das Gesamtsystem Mensch mit seinem Verstand zu erfassen“, sagt er. „Wir werden in Zukunft mögliche Arten von Experimenten und Modellen entwerfen. Die Entscheidungen für bestimmte Experimente oder Modelle werden jedoch angesichts der enormen Komplexität des Problems von lernfähigen Maschinen getroffen werden.“

Murphy genießt die Zeit in Freiburg und die Gastfreundschaft des FRIAS in vollen Zügen. Vor allem aber aus wissenschaftlicher Sicht ist sie für ihn kostbar. „Ich komme hier meinem großen Ziel einen Schritt näher“, sagt der Forscher. „Ein automatisiertes, lernfähiges System zu entwickeln, mit dem man den Aufenthalt aller Proteine zu allen Zeiten und unter allen Bedingungen modellieren kann.“ Ihm selbst geht es dabei nicht in erster Linie um philosophischen Wissensdurst. „Es geht vor allem darum, Krankheiten zu heilen“, sagt er. Und dazu wird sein Fach sicherlich beitragen.

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