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Wie arbeiten 30.000 Gene in unserer DNS zusammen? Wie funktionieren einhundert Milliarden Neuronen in unserem Gehirn? Die grosse Zahl der Faktoren, die dabei eine Rolle spielen, erschwert es, derartig komplexe Netzwerke zu durchschauen. Nun beschreibt eine Studie, die in der Ausgabe vom 25. Oktober der Zeitschrift Science erscheint, eine Strategie zur Bestimmung der Organisationsprinzipien praktisch eines jeden Netzwerks -- vom Nervengeflecht im Gehirn ueber Nahrungsketten in Oekosystemen bis hin zum World Wide Web.
Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Uri Alon von der Abteilung fuer molekulare Zellbiologie des Weizmann Instituts haben einige solcher Organisationsmuster gefunden --die sie 'network motifs' also Netzwerkmotive nennen -- auf denen genetische, neuronale, technische oder oekologische Netzwerke basieren. Die mathematischen Grundlagen hierfuer wurden Anfang des Jahres von Alon erstmals vorgeschlagen (veroeffentlicht in der Zeitschrift Nature Genetics) und konnten seither auf eine Vielzahl von Systemen angewandt werden.
Bei der Entwicklung der Technik ging Alon von der Vermutung aus, dass Muster, die eine wichtige Rolle in der Natur spielen, oefter auftreten muessten als in zufaelligen Netzwerken. Unter dieser Praemisse entwickelte er einen Algorithmus, mit dem er die Netzwerke einiger gut erforschter Organismen bearbeitete. Alon stellte fest, dass sich einige Muster in den Netzwerken aus ungeklaerten Gruenden haeufiger wiederholten als das in zufaellig angeordneten Netzwerken der Fall sein wuerde. Diese handvoll von Mustern wurde nun von Alon als eine potentielle Gruppe von Netzwerkmotiven hervorgehoben.
Unerwartet stiess das Team bei genetischen und neuronalen Systemen auf zwei identische Motive. 'Offensichtlich wenden beide informationsverarbeitende Systeme aehnliche Strategien an', sagt Alon. 'die Motive, die bei neuronalen und genetischen Netzwerken gleichermassen zum Zug kommen, koennen zur Filterung von Signalen dienen oder die komplexe Aktivierung von Neuronen oder Genen ermoeglichen.'
Ist es einmal gelungen, die Art der 'Verdrahtung' solcher Netzwerke zu beschreiben, koennen Wissenschaftler die Systeme klassifizieren (so wie Loewen und Maeuse zur selben 'Klasse' gehoeren, gehoeren dann neuronale und genetische Systeme zur selben Kategorie, sofern sie gemeinsame Netzwerkmotive verwenden). Das wiederum koennte ueber das einfache Organisationsprinzip hinausweisen: 'Man koennte etwas ueber das Nervensystem lernen, wenn man das genetische System untersucht, das normalerweise leichter zugaenglich ist', sagt Alon.
Das Weizmann-Team untersuchte sieben verschiedene Oekosysteme und fand Netzwerkmotive, die in Nahrungsketten (eigentlich sind es Nahrungsnetze) eine Rolle spielen. Ein immer wiederkehrendes Muster zeigt, dass verschiedene Beutetierarten eines bestimmten Raubtieres haeufig um dieselbe Nahrungsquelle konkurrieren. Diese Nahrungsquelle steht dem Raubtier nicht zur Verfuegung.
Alons Methode entziffert Netzwerkmotive auf Grund ihrer Haeufigkeit. Muster, die zwar fuer das Netzwerk von Bedeutung, aber statistisch nicht signifikant sind, werden von dieser Methode nicht erfasst. Dennoch liefert seine Methode einige wichtige Antworten auf die Frage, worauf sich komplexe Systeme stuetzen.
Welche Vorteile darf sich die Menschheit von der Eroberung dieses wissenschaftlichen Neulandes erhoffen? Der Traum, sagt Alon, ist die Entdeckung und das Verstaendnis der fundamentalen Gesetze, die unseren Koerper regieren, die Funktionsweise einer Zelle ganz nachvollziehbar machen und die Mittel zur Reparatur eindeutig zu bestimmen. Eines Tages in ferner Zukunft, so hoffen die Wissenschaftler, wird die Arbeit von Aerzten mit der von Elektroingenieuren vergleichbar sein. Sie werden die Bauplaene funktionsgestoerter Zellen analysieren und dann zur Reparatur schreiten.
Zum Forscherteam von Dr. Alon am Weizmann Institut gehoerten die Studenten Ron Milo, Shalev Itzkovitz, Nadav Kashatan und Shai Shen-Orr.
Folgende Organisationen foerdern die Forschungsarbeit von Dr. Uri Alon: Der James-und-Ilene-Nathan-Wohltaetigkeitsfonds; die Harry-M.-Ringel-Gedenkstiftung; das Charpak-Vered-Gastfellowship, Ottowa/Canada; Yad Hanadiv; das Clore-Zentrum fuer biologische Physik; das Yad-Abraham-Zentrum fuer Krebsdiagnose und --therapie; die Rita-Markus-Stiftung Inc. Und die Minerva Stiftung Gesellschaft fuer die Forschung m. b. H.
Dr. Alon ist Inhaber des Carl-und-Frances-Korn-Lehrstuhls fuer Karrierefoerderung in der Biologie.
Das Weizmann-Institut ist ein bedeutendes Zentrum fur wissenschaftliche Forschung und Hochschulstudien in Rehovot, Israel. Die 2,500 Wissenschaftler, Studenten und anderen Mitarbeiter des Instituts betreiben uber 1,000 Forschungsprojekte, die das gesamte Spektrum der heutigen Wissenschaft abdecken.
Die Nachrichten des Weizmann-Instituts sind im World Wide Web
unter http://www.weizmann.ac.il hinterlegt und ebenfalls unter http://www.eurekalert.org abrufbar
Criteria of this press release:
Biology, Chemistry, Environment / ecology, Information technology, Mathematics, Oceanology / climate, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German
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