Biodisc2

Entwicklung eines Systems zur Rückverfolgbarkeit und individuellen genetischen Charakterisierung ganzer Rinderpopulationen zur Erhöhung der Tiergesundheit und Lebensmittelsicherheit (FKZ: 0313719, BMBF)

Food and Crime in der Antike: Allgegenwärtiger Mundraub. Apoll musste es richten, manchmal Zeus höchstderoselbst.

Abb. 1: Die Dioskuren und die Apharetiden rauben eine Rinderherde. Relieffries aus dem Heiligtum von Delphi (http://www.gottwein.de/Hell2000/grim/g00.16s.17.jpg).

Food and Crime heute: Stammt das Fleisch für den Burger, den der Informatik-Student gerade verzehrt, aus einem BSE-freien Rinderbestand? Haben etwa skrupellose Zwischenhändler minderwertige Ware umetikettiert?

Da Apoll eher einsilbig geworden ist, muss sich das BioDisc2-Team* etwas anderes einfallen lassen. In Zukunft soll gerichtsverwertbar herauszufinden sein, auf welches der 4,4 Millionen Kälber, die jährlich in Deutschland geboren werden, das Lebensmittel zurückgeht.

Während die papierne Dokumentation über Geburt, Weiterverkauf, Transport- und Verarbeitungskette weder Lücken, Fehler oder Irrtümer noch Manipulationen gänzlich ausschließt, ist der genetische Fingerabdruck unbestechlich. Denn unter 25 Millionen Rindern hat nur eins die fragliche Fingerprint-Signatur aus 30 digitalisierten Sequenzmustern per statistischem Zufall! (Weller J.I., Seroussi E., Ron M., Estimation of the number of genetic markers required for individual animal identification accounting for genotyping errors, Anim Genet. 2006 Aug;37(4):387-389).

Also lautet die vordringliche Aufgabe:

Archiviere von jedem neugeborenen Kalb im Moment der Dokumenten-Erfassung den genetischen Fingerprint als DNA-Rückstellprobe. Der Trick bei der Sache: Statt der 3 Milliarden Basenpaare pro Rind reichen dafür schon 30 kurze, aber prägnante Abschnitte mit Variation von Individuum zu Individuum (sog. SNPs) für den späteren Vergleich mit der DNA aus einer strittigen Probe. Die Reduktion auf 30 kurze Abschnitte ermöglicht die hochkomprimierte Ablage der Referenzproben – Tausende pro cm2 Chipfläche!

Ist das nicht eine rein experimentelle Angelegenheit der DNA-Technologien? Was hat ein Datenbank-Lehrstuhl damit zu tun?

Auf den ersten Blick ist es – ähnlich der DNA-gebundenen Forensik und Diagnostik in der Humanmedizin – tatsächlich und vorwiegend eine Herausforderung an Durchsatz und Präzision laborexperimenteller Abläufe, einmal ganz abgesehen davon, dass es für die Verwaltungs- und Vergleichslogistik der vielen Daten ohnehin unverzichtbar ist, Informationstechnologien einzubeziehen. Aber in jedem Genom steckt noch weit mehr 'Musik', als für die Lösung kriminologischer Fragen notwendig wäre: Der Lehrstuhl DBIS assistiert dem Gesamtprojekt mit Datenbank-Know-How. Das Bos taurus Referenzgenom (http://www.ensembl.org/Bos_taurus/index.html) wird genutzt, um biologische Besonderheiten und wirtschaftlich bedeutsames Hintergrundwissen herauszufinden, nämlich, welche der "sonstigen" Sequenzen entlang der chromosomalen DNA aufschlussreich sind für Rassenmerkmale, Leistungsparameter, Krankheitsanfälligkeit, Zuchtziele etc. Eine relationale Datenbank unter IBM DB2 hilft dabei. Sie verwaltet alle repräsentativen Sequenzfragmente positional. So lässt sich je nach Fragestellung rechnerisch ableiten, welche sequenzbasierten Werkzeuge der Experimentator anwenden muss, um an die relevanten Abschnitte im Erbgut heranzukommen. Im Rahmen des BioDisc2-Projekts erarbeitet und bewertet DBIS biologieorientierte Abfrageszenarien.

Abb.2: Grafische Nutzerschnittstelle zur Ableitung molekularbiologischer Startersequenzen (Primer, rot/schwarz) aus dem Rindergenom für festgelegte Stellen (blau hinterlegt). Das Insert zeigt die Simulation eines Experiments zur selektiven Vervielfältigung der Abschnitte um die blau gekennzeichneten Orte auf der DNA mit Hilfe der abgeleiteten Primer (rot/schwarz).

Eine JAVA-basierte grafische Nutzerschnittstelle ermöglicht den Zugriff auf die 8 Milliarden (!) Tupel und die Simulation des enzymatischen Vervielfältigungsprozesses im Reagenzglas – die sog. Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR). Das Ziel besteht darin, diejenigen DNA-Abschnitte selektiv zu vermehren und auf die platzsparenden Verwaltungs-Chips zu bringen, die zusätzlich zu den 30 chromosomalen Markern für den Identitätsnachweis auch die Forschung an den versteckten Genotyp-Phänotyp Korrelationen unterstützen. Wir dürfen gespannt bleiben!

BioDisc2: Konsortium und Kooperationspartner

Agrobiogen GmbH Biotechnologie (Hilgertshausen, Konsortialführer)
http://www.agrobiogen.de/

The Agricultural Research Organization (ARO), Israel
http://www.agri.gov.il/Volcani.html

Bactochem, Israel
http://www.bactochem.co.il/

Ludwig-Maximilian-Universität (LMU), München
Institut für Medizinische Mikrobiologie
http://www.mvp.uni-muenchen.de/Max_von_Pettenkofer-Institut.64.0.html

Humboldt-Universität zu Berlin,
Institut für Informatik
Lehrstuhl Datenbanken und Informationssysteme
http://www.dbis.informatik.hu-berlin.de/