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Genomanalyse könnte Techniken zur Gesichtserkennung verändern

Kamera (adapted)_(Image_by_ollis_picture CC0 )via Pixabay

In Großbritannien macht die Auswertung von Material öffentlicher Überwachungskameras dank Genomanalyse zur Zeit starke Fortschritte. Die Genomanalyse umfasst die Untersuchung der Entwicklung von Genen im Laufe der Zeit durch die Untersuchung der aufgetretenen Mutationen. Warum dieses Verfahren auch wichtig für Überwachungstechniken ist, erklärt Jean-Christophe Nebel, Professor für Mustererkennung, an der Kingston-Universität. 

Als die Polizei in London vor Kurzem ein neues Gesichtserkennungssystem ausprobierte, machte sie einen beunruhigenden und peinlichen Fehler. Beim Notting Hill Karneval wurden etwa 35 falsche Übereinstimmungen zwischen bekannten Verdächtigen und Angehörigen der Menge gemacht. Eine Person wurde dabei „irrtümlich“ verhaftet.

Kamerabasierte Überwachungssysteme sollen eine sicherere Gesellschaft ermöglichen. Doch trotz jahrzehntelanger Entwicklung sind sie in der Regel nicht in der Lage, bestimmte Situationen so umzugehen, dass man ihre volle Tragweite überblickt. Während der Unruhen in London im Jahr 2011 trug beispielsweise die Gesichtserkennungssoftware nur zu einer Verhaftung von insgesamt 4.962 Personen bei.

Doch diese Art der Technologie ist anfällig. Das heisst, dass die visuelle Überwachung noch immer hauptsächlich auf den Menschen angewiesen ist, der in dunklen Räumen sitzen und stundenlange Kameraaufnahmen ansehen muss. Das ist völlig unzureichend, um die Menschen in einer Stadt zu schützen. Neueste Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Videoanalyse-Software dank der Software-Entwicklung in einem völlig anderen Bereich dramatisch verbessert werden könnte: Die Rede ist von der DNA-Sequenzanalyse. Die Software-Tools und Techniken könnten die automatisierte Überwachung umwandeln. Hier wird das Video als Szene betrachtet, die sich genauso entwickelt wie die DNA.

Analyse von Personengruppen oder Einzelpersonen immer noch schwierig

Seit die Metropolitan Police im Jahr 1960 in London die ersten CCTV-Kameras installiert hat, sind bis zu sechs Millionen Kameras in Großbritannien im Einsatz. Und die am Körper getragenen Kameras werden nun auch an die Grenzbeamten ausgegeben, so dass nicht nur noch mehr Videomaterial analysiert werden kann, sondern auch komplexere Daten durch die ständige Bewegung der Kamera.

Die automatische visuelle Überwachung beschränkt sich jedoch nach wie vor auf Aufgaben in relativ kontrollierter Umgebung. Sie kann Einbrüche erkennen, Menschenmassen zahlenmässig erfassen oder Kennzeichen erkennen. All diese Vorgänge können mittlerweile sehr genau durchgeführt werden. Aber die Analyse von Filmmaterial über Personengruppen oder die Identifizierung von Einzelpersonen in einer öffentlichen Straße ist unzuverlässig, denn die Aufnahmen im Freien sind von sehr unterschiedlicher Qualität und die Faktoren ändern sich ständig.

Um die automatisierte Videoanalyse zu verbessern, brauchen wir eine Software, die diese Variabilität beherrscht, anstatt sie als Unannehmlichkeit zu behandeln – eine grundlegende Änderung. Einer der wesentichen Bereiche, in dem oft mit großen Mengen sehr variabler Daten gearbeitet wird, ist die Genomik.

Genomanalyse kann bei Überwachung helfen

Im Jahr 2001 sind die drei Milliarden DNA-Codes des ersten menschlichen Genoms (der gesamte genetische Datensatz eines Menschen) analysiert worden. Seitdem ist die Produktion solcher genomischer Daten, also eine Genomanalyse, exponentiell angestiegen. Die schiere Menge dieser Daten und der Grad, in dem sie variieren können, bedeutet, dass riesige Mengen Geld und Ressourcen benötigt wurden. Vor allem, um spezielle Software und Rechenanlagen zu entwickeln, die damit umgehen können.

Heute ist es Wissenschaftlern möglich, relativ einfach auf die Genomanalyse zuzugreifen, um alle möglichen Dinge zu untersuchen. Von der Krankheitsbekämpfung über die Gestaltung personalisierter medizinischer Dienste bis hin zu den Geheimnissen der menschlichen Geschichte.

Die Genomanalyse umfasst die Untersuchung der Entwicklung von Genen im Laufe der Zeit durch die Untersuchung der aufgetretenen Mutationen. Dies ist ähnlich wie die Herausforderung in der kameragestützter Überwachung, die auf der Interpretation der Entwicklung einer Szene im Laufe der Zeit beruht. So nutzt man diese beispielsweise, um Fußgänger zu erkennen und zu verfolgen. Indem wir Unterschiede zwischen den Bildern eines Videos als Mutationen behandeln, können wir die Genomanalyse-Techniken auf Video anwenden.

Erste Tests waren vielversprechend. Meine Forschungsgruppe an der Kingston University hat zum ersten Mal gezeigt, dass Videos auch dann analysiert werden können, wenn sie von einer frei beweglichen Kamera aufgenommen wurden. Durch die Identifikation von Kamerabewegungen als Mutationen können diese kompensiert werden. So erscheint eine Szene wie von einer feststehenden Kamera gefilmt.

Kameragestützte Überwachung könnte Revolution erleben

Inzwischen haben Forscher der Universität Verona gezeigt, dass Bildverarbeitungsaufgaben so entschlüsselt werden können, dass genomische Standardwerkzeuge ausgenutzt werden können. Dies ist besonders wichtig, da ein solcher Ansatz die Kosten und den Zeitaufwand bei der Softwareentwicklung deutlich reduziert.

Wenn wir dies mit unserer Strategie verbinden, könnte die kameragestützte Überwachung revolutionär werden. Wenn das neue Erkennungs-Prinzip auf Grundlage der Genomanalyse eingeführt würde, könnte das kommende Jahrzehnt viel intelligentere Kameras liefern. In diesem Fall sollten wir uns besser daran gewöhnen, viel öfter auf Video gesehen zu werden.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „Kamera“ by ollis_picture (CC0 Public Domain)


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Warum ich meine Genomsequenz für die Öffentlichkeit gespendet habe

DNA (adapted) (Image by PublicDomainPictures [CC0 Public Domain] via Pixabay)

Vor ein paar Jahren habe ich mein komplettes Genom sequenzieren lassen – alle sechs Milliarden Basenpaare. Und anstatt es für mich selbst zu behalten, habe ich es als erster Mensch weltweit der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, indem ich es dem Personal Genome Project UK, einer von Forschern geleiteten Organisation, gespendet habe. Da jeder auf die Daten zugreifen kann, kann die Öffentlichkeit – in Zusammenarbeit mit professionellen Wissenschaftlern – einen Beitrag zur Datenanalyse leisten.

Meine Spende habe ich unter dem umstrittenen Prinzip der freiwilligen Zustimmung gemacht. Vier andere Leute haben dies seitdem getan. Das bedeutet, dass wir damit einverstanden sind, dass unsere personenbezogenen Daten für jedermann frei zugänglich sind und keinen Anspruch auf Privatsphäre erheben. Das Projekt hört nicht bei der Verbreitung persönlicher Genomsequenzen auf, sondern geht weit darüber hinaus, indem es die Daten mit persönlichen Gesundheitsdaten, Informationen über Merkmale und die Umweltexposition des Einzelnen verknüpft. Gerade diese reichhaltige Informationsvielfalt macht die Initiative zum persönlichen Genomprojekt einzigartig und mächtig.

Daten aufdecken

Die menschliche Genomsequenz kann auch als der ultimative digitale Identifikator angesehen werden – wir alle haben eine einzigartige Sequenz. Derzeit werden die meisten Humangenom-Daten anonym gehalten, und es ist nicht generell möglich, diese Daten mit den persönlichen Daten der Versuchspersonen zu verknüpfen. Aber das reduziert die potenzielle Nutzbarkeit erheblich.

Je mehr Genome wir mit zusätzlichen Informationen verknüpfen können, desto näher rücken wir an die Aufdeckung der genauen Merkmale und Bedingungen heran, die mit welchen Genen verbunden sind. Wenn wir das wissen, werden die Behandlungsmöglichkeiten enorm sein. Es wird eine echte, personalisierte medizinische Behandlung ermöglichen, in der wir Krankheiten vorhersagen können und genau wissen, auf welche Behandlungsmöglichkeiten jeder einzelne Mensch anspricht. Da die wissenschaftliche und medizinische Forschung solche Entdeckungen immer wieder macht, können diese in Zukunft durch aktualisierte Genomberichte mit den Teilnehmern der Projekte geteilt werden.

Viele führende Wissenschaftler sind der Meinung, dass es äußerst schwierig ist, genomische Daten anonym zu halten. Obwohl es Versuche gibt, die Methoden zu verbessern, gab es Fälle in denen anonyme Probanden in Forschungsarbeiten leicht identifiziert werden konnten. Oft anhand von Informationen wie Alter, Geschlecht und Postleitzahl. Vielleicht müssen wir also die Vorstellung aufgeben, dass Daten für alle Ewigkeit vollkommen anonymisiert werden können.

Es gibt Großartiges über den Beitritt zum persönlichen Genomprojekt zu berichten. Man erhält Zugang zu einem Team führender Genforscher und Bioinformatiker und bekommt detaillierte Infos über sein persönliches Genom. Ich fand meinen persönlichen Genombericht sehr hilfreich. Es hat mögliche Gesundheitsrisiken aufgezeigt, von denen ich einige mit meinem Hausarzt besprochen habe.

Eine weitere, sehr nützliche Erkenntnis ist, dass ich mehrere DNA-Varianten habe, die mich daran hindern, viele verschiedene verschreibungspflichtige Medikamente in meinem Körper abzubauen oder zu transportieren. Infolge dessen weiß ich auch, welche Stoffe bei mir funktionieren. Tatsächlich könnte möglicherweise sogar eine bestimmte Art Droge für mich tödlich sein. Gut, dass ich das weiß.

Ich möchte die Menschen auf jeden Fall ermutigen, an dem Programm teilzunehmen. Sobald Hunderttausende oder gar Millionen von Teilnehmern an der Konferenz beteiligt sind, wird das Wissen, das wir über die Auswirkungen unserer Genome auf unsere Gesundheit, unsere Eigenschaften und unser Verhalten gewinnen, einzigartig sein. Obwohl wir nicht genau vorhersagen können, was wir lernen werden, ist es wahrscheinlich, dass wir Einblicke in psychische Gesundheitsbedingungen, den Medikamenten-Stoffwechsel, persönliche menschliche Ernährung, unsere Allergien und Autoimmunerkrankungen gewinnen werden. Wir erfahren mehr über unsere Lebenserwartung, Diabetes, Herz-Kreislauf-Gesundheit und mögliche Krebserkrankungen.

Ein schwieriges Thema

Aber ich bin mir auch bewusst, dass es nicht für jeden infrage käme, sein persönliches Genom sequenziert zu bekommen. Manche Leute wollen es einfach nicht wissen und spüren, dass die Information für sie eine Menge Ängste auslösen könnte. Niemand sollte sich gezwungen fühlen, sein Genom sequenzieren zu lassen.

Ich fand heraus, dass bei meiner Sequenzierung meines Genoms ein erhöhtes Risiko für eine seltene, unangenehme Krankheit festgestellt wurde und begann sofort, Symptome zu entwickeln. Als medizinische Tests schließlich aufdeckten, dass ich nicht die notwendigen Bedingung erfüllte, verschwanden die Symptome. Das zeigt, dass solche Informationen psychosomatische Symptome verursachen können.

Eine weitere Frage, über die sich mancher vielleicht den Kopf zerbricht, ist, wie die Daten von privaten Unternehmen, einschließlich Arbeitgeber oder Versicherungen, genutzt werden können. Obwohl die Forscher sich nicht mit Genen beschäftigt haben, die mit kriminellen Aktivitäten in Verbindung stehen, sind die Rohdaten für jedermann zur Analyse da. Zwar dürfen Versicherungsunternehmen derzeit noch keine Entscheidungen auf der Grundlage genomischer Daten treffen, einige könnten jedoch befürchten, dass sich dies in Zukunft ändern könnte.

Die Familie ist ein weiterer wichtiger Faktor. Schließlich teilen wir unsere Geninformationen mit unseren Eltern und Kindern – und vielleicht möchten wir das Thema vor der Bekanntgabe unseres Genoms mit ihnen besprechen. Eine andere Sache, die man bei der genomischen Prüfung bedenken sollte, ist, dass man unter Umständen herausfinden könnte, dass die eigenen Elternteile vielleicht nicht die sind, mit denen wir aufgewachsen sind. Dies geschieht in bis zu zehn Prozent der Fälle.

Ich verstehe sehr wohl, dass diese Dinge für bestimmte Menschen von Bedeutung sein können. Ich habe sie alle in Betracht gezogen, aber ich habe beschlossen, dass letztendlich eine Vorbereitung auf das Schlimmste die beste Vorbereitung ist. Wenn man weiß, dass man ein erhöhtes Risiko für eine bestimmte Krankheit aufweisen könnte, kann man frühzeitig handeln – zum Beispiel durch eine Ernährungsumstellung oder durch medizinische Spezialbehandlungen. Neben der Spende meiner Gendaten für das Gemeinwohl war dies wohl das Wichtigste für mich.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „DNA“ by PublicDomainPictures (CC0 Public Domain)


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Mikroben haben ihre eigene Version des Internets

Mikroben (adapted) (Image by geralt) (CC0Public Domain) via Pixabay

Die Erschaffung eines großen, weltumspannenden Netzwerks, das Milliarden von Leuten vernetzt, dürfte bis heute eine der größten Errungenschaften der Menschheit sein. Doch Mikroben sind uns da um mehr als drei Milliarden Jahre voraus. Diese winzigen, einzelligen Organismen sind nicht nur für sämtliches Leben auf der Erde verantwortlich. Sie haben darüber hinaus ihre eigenen Versionen des World Wide Web und des Internets der Dinge. Und so funktioniert es:

Ganz so wie unsere eigenen Zellen behandeln Mikroben bestimmte Stücke der DNA wie verschlüsselte Nachrichten. Diese Nachrichten enthalten Informationen, um Proteine zu molekularen Maschinen zusammenzubauen, die spezifische Probleme lösen können, wie beispielsweise Zellen zu reparieren. Doch Mikroben erhalten diese Nachrichten nicht nur von ihrer eigenen DNA. Sie schlucken auch Stücke der DNA ihrer toten Verwandten oder tauschen mit lebenden Freunden.

Diese DNA-Stücke werden dann in ihre eigenen Genome aufgenommen, die wie Computer funktionieren und die Arbeit der gesamten Protein-Maschinerie überwachen. Auf diese Weise ist die winzige Mikrobe eine flexible Lernmaschine, die intelligent nach Ressourcen in ihrer Umwelt sucht. Sollte eine Protein-Maschine nicht funktionieren, testet die Mikrobe eine andere. Versuch macht klug – so werden alle Probleme gelöst.

Doch Mikroben sind zu klein, um ganz allein zu agieren. Stattdessen formen sie Gemeinschaften. Seit Anbeginn ihrer Existenz leben Mikroben in gigantischen Kolonien, die aus mehreren Trillionen von Mitgliedern bestehen. Diese Kolonien haben sogar mineralische Strukturen hinterlassen, die als Stromatolith bekannt sind. Es handelt sich um mikrobielle Metropolen, eingefroren in der Zeit wie Pompeji, die für das Leben vor Milliarden von Jahren Nachweis erbringen.

Mikroben-Kolonien lernen beständig und entwickeln sich stets weiter. Sie entstanden in den Ozeanen und haben allmählich das Land erobert – und das Herzstück ihrer Forschungsstrategie war der Informationsaustausch. Wie wir gesehen haben, kommunizieren individuelle Mitglieder, indem sie chemische Botschaften auf hochgradig koordinierte Art untereinander austauschen. Auf diese Weise erbauen mikrobische Gesellschaften ein kollektives „Bewusstsein“.

Dieses kollektive Bewusstsein schickt Software-Stücke, geschrieben im DNA-Code, zwischen Trillionen von Mikroben hin und her – mit einem einzigen Ziel: die lokale Umgebung vollständig auf Ressourcen hin zu untersuchen, die Protein-Maschinen nutzen.

Wenn die Ressourcen an einem Platz aufgebraucht sind, rücken mikrobielle Expeditionstruppen aus, um neues Land zu finden: Sie übermitteln ihre Funde zurück zur Basis, indem sie verschiedene Arten chemischer Signale einsetzen, und die Mikroben-Gesellschaft aufrufen, sich von Siedlern zu Besiedelten zu wandeln.

Auf diese Weise übernahmen die Mikroben die Erde, indem sie ein weltweites, mikrobielles Netzwerk erschufen, das unserem eigenen World Wide Web ähnelt, aber chemische statt elektrodigitaler Signale benutzt. Theoretisch kann ein Signal, das am Südpol im Wasser ausgesandt wird, rasch rund um den Nordpol wandern.

Das Internet der lebenden Dinge

Die Gemeinsamkeiten mit menschlichen Technologien hören nicht an dieser Stelle auf. Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten nun daran, unser eigenes Informationsnetzwerk in ein Internet der Dinge auszubauen, das verschiedene Arten von Geräten integriert, indem diese mit Mikrochips ausgestattet werden, die wahrnehmen und kommunizieren sollen. Unser Kühlschrank wird also fähig sein, uns zu benachrichtigen, wenn die Milch alle ist. Unsere Häuser werden und mitteilen können, wenn eingebrochen wurde.

Mikroben haben ihre eigene Version des Internets der Dinge bereits vor langer Zeit gebaut. Wir nennen es das ‚Internet der lebenden Dinge‘, obwohl es allgemein eher als Biosphäre bekannt ist. Jeder Organismus auf diesem Planeten ist in diesem komplexen Netzwerk verbunden und sein Überleben hängt von Mikroben ab.

Vor mehr als einer Milliarde Jahre hat eine Mikrobe ihren Weg ins Innere einer anderen Mikrobe gefunden, die so ihr Wirt wurde. Diese beiden Mikroben wurden zu einem symbiotischen Hybrid, der uns als eukaryotische Zelle bekannt ist, die Basis fast aller Formen des Lebens, die wir heute kennen. Alle Pflanzen und Tiere sind Nachfahren dieser mikrobiellen Verschmelzung, und beinhalten so die biologische „Plug-in Software“, die sie zum Internet der lebenden Dinge verbindet.

So sind wir Menschen beispielsweise so designt, dass wir ohne die Trillionen von Mikroben im Inneren unseres Körpers, die bei der Verdauung von Essen oder bei der Entwicklung von Immunität gegenüber Keimen helfen, nicht funktionieren können. Wir sind so von Mikroben überhäuft, dass wir persönliche mikrobielle Signaturen auf jeder Oberfläche, die wir anfassen, hinterlassen.

Das Internet der lebenden Dinge ist ein sauberes und wunderschön funktionierendes System. Pflanzen und Tiere leben auf dem von Mikroben erstellten ökologischen Abfall. Für Mikroben sind dagegen alle Pflanzen und Tiere „nunmehr das Vieh, dessen Fleisch sie speisen“, dessen Körper verdaut und eines Tages recycelt werden, wie der Autor Howard Bloom es formuliert hat. Mikroben sind potentielle Weltall-Touristen. Wenn die Menschen in den Weltraum reisen, reisen unsere Mikroben mit uns. Das Internet der lebenden Dinge könnte eine große, kosmische Reichweite bergen.

Das Paradoxe ist, dass wir die Mikroben immer noch als unterlegene Organismen wahrnehmen. Doch es verhält sich in Wirklichkeit so, dass Mikroben die unsichtbaren und intelligenten Anführer der Biosphäre sind. Ihre Biomasse übersteigt die unsere. Sie sind die eigentlichen Erfinder der informationsbasierten Gesellschaft. Unser Internet ist nur ein Nebenprodukt des mikrobiellen Informationsspiels, das bereits vor drei Milliarden Jahren initiiert wurde.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „Bacteria“ by geralt (CC0 Public Domain)


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So klingt DNA: Wie Musik den genetischen Code knacken kann

dna-1811955 (adapted) (Image by qimono) (CC0 Public Domain) via Pixabay

Seit einigen Jahren beschäftige ich mich in meinen Forschungen mit Molekularbiologie. Außerdem interessiere ich mich für Musik und habe mit den Hummingbirds, einer Pop-Band aus Sydney, gespielt. Normalerweise ist die Schnittmenge zwischen diesen beiden Interessen nicht besonders groß. Aber kürzlich habe ich erfahren, dass man mit der DNA sogar Musik machen kann.
Dieses Phänomen nennt man Sonifikation. Hier werden DNA-Sequenzen wie zufällige Muster genutzt, um harmonische Musik zu komponieren. Aber was geschieht, wenn wir die Töne benutzen würden, etwas Nützliches über DNA-Sequenzen herauszufinden – beispielsweise bei Mutationen?

Ich habe daher meine Programmierkenntnisse genutzt und ein Werkzeug entwickelt, mit der DNA-Sequenzen in Audio-Streams konvertiert werden können. Die Ergebnisse wurden vor Kurzem in dem Magazin BMC Bioinformatics veröffentlicht.

Den Unterschied hören

Die DNA dient in unserem Körper als Vorlage für die Herstellung von Proteinen. Eine DNA-Sequenz ist eine lange, ununterbrochene Kette, die aus vier chemischen Basen besteht, die G, A, T oder C genannt werden. Diese wiederholen sich in vielen bestimmten Mustern, die dann ein Gen ausmachen. Viele Gene haben identische Sequenzen innerhalb einer Spezies; also gleichen sich diese von Person zu Person oder von Virus zu Virus.

Manchmal allerdings unterscheidet sich eine der chemischen Basen in einer Sequenz von dem üblichen Muster – eine Mutation entsteht. Diese kann auf einen Fehler, der der betroffenen Person oder dem betroffenem Mikroorganismus Probleme bereiten könnte, hinweisen. In meinem Online-Audio-Programm verursachen Veränderungen in einer sich wiederholenden DNA-Sequenz sehr auffällige Veränderungen des Klangs.

Um einen Eindruck davon zu vermitteln, habe ich hier eine künstliche DNA-Testsequenz in meinem Online-Audio-Programm vorbereitet, das aus einer Reihe von G-Sequenzen besteht:

Zum Vergleich eine DNA-Sequenz mit einer Mutation:

Die natürliche DNA-Sequenz verdeutlicht eine Veränderung des sich wiederholenden Klangs mit einem ungefähren Wert von 0,13. Hier findet eine subtile Veränderung (eine Mutation) der Sequenz statt:

 

Die Codone verschlüsseln

Im wirklichen Leben sind DNA-Abfolgen natürlich komplexer als das. Zunächst beinhalten echte DNA-Abfolgen Codone. Ein Codon ist eine Abfolge von drei Basen, die zu einer Gruppe von DNA-Information zusammengefasst werden. Ein Codon lenkt eine Baueinheit in einem Protein, auch unter dem Namen “Aminosäure” bekannt. In der Natur zeigen spezielle Codone die Start- und Endpunkte von Genen an. In meinem Ansatz werden diese Codone dazu verwendet, die Audiodatei zu starten und zu beenden.

Es ist nicht beabsichtigt, dass man einen Ton hören und sie einem bestimmten Codon zuordnen kann, auch wenn die Umgebung der Audiodatei charakteristisch für die zugrundeliegende Sequenz ist (wie man in den Beispielen hören kann).

Wie klingt es also, wenn man mein Sonifikationssystem auf ein echtes Stück DNA anwendet, das ein Protein ausmacht? Man nehme beispielsweise eine menschliche DNA-Abfolge, die ein Protein verschlüsselt (für die Experten unter den Lesern handelt es sich dabei um das RAS-Protein, das teilweise für eine Krebserkrankung verantwortlich ist). So würde es in der traditionellen geschriebenen Form aussehen:

Image The sound of DNA by Mark Temple via The Conversation
Eine Menschliche RAS-Seqzenz. DNASonification/Mark Temple

Und so klingt es in meinem Online-Audio-Programm:

In der obigen Kodierungssequenz spielt immer ein Instrument (dasjenige, das tatsächlich das Protein verschlüsselt). Als ich einige Sequenzen “sonifiziert” habe, die wichtige RNA-Bestandteile von Zellen (keine Proteine) entschlüsseln, sind zum Teil nur Abschnitte zu hören, in denen man nichts hört. Oft sind hier Klopfgeräusche zu hören, die anzeigen, an welcher Stelle ein Codon entdet:

Normalerweise vertrauen wir Wissenschaftler stark auf die optische Kontrolle der DNA-Abfolgen, um ihre Geheimnisse zu entschlüsseln. Die Sonifikation allein ist nicht dafür gedacht, die optische Kontrolle zu ersetzen, sondern eher, um sie zu erweitern, genau wie Farben genutzt werden, um die Eigenschaften von DNA-Abfolgen hervorzuheben.

Neben der Genauigkeit der DNA-Forschung gibt es ein starkes Interesse innerhalb der Gesellschaft, besser zu verstehen, wie DNA-Abfolgen unsere physische Gestalt festlegen und Mutationen, die sich in unserer DNA ansammeln, unsere Gesundheit auf lange Sicht beeinflussen. Es ist zu hoffen, dass das Anhören von DNA-Audiodateien der Forschung dabei hilft, besser zu verstehen, wie Zellbiologie funktioniert.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „dna-1811955“ by qimono (CC0 Public Domain)


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FollowUs – Die Netzpiloten-Tipps aus Blogs & Mags

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  • Whatsapp t3n: Whatsapp: Neue Funktion soll Tracking von Gruppenkontakten in Echtzeit ermöglichen: Praktische Funktion oder schon beängstigendes Feature? Schon Facebook hat seit kurzer Zeit ein neues Standort-Feature, das den Nutzern erlaubt sich lokal in Echtzeit mit Kontakten zu verknüpfen. Jetzt führt auch Whatsapp eine ähnliche Funktion ein. Sowohl in der Android- (Version 2.16.399) als auch der iOS-Beta-Version (Version 2.17.3.28) des Messengers konnte eine Funktion entdeckt werden, mit der Gruppenmitgliedern eines Chats der Standort in Echtzeit mitgeteilt werden kann. Die Funktion ist allerdings standardmäßig deaktiviert und muss durch die Gruppenteilnehmer aktiviert werden.

  • DNA gizmodo: First Genetic Results From Scott Kelly’s Year In Space Reveal DNA Mysteries: Ein One-Way-Ticket zum Mars klingt für viele angesichts der derzeitigen politischen Situationen erstaunlich verlockend. Die Zwillingsbrüder Scott und Mark Kelly haben sich für die NASA exakt solchen Tests unterzogen und wie ein Leben im Weltraum sich auf den Körper auswirken wird. Scott verbrachte zuletzt 340 Tage am Stück im Weltraum und erste Ergebnisse zu den Auswirkungen auf den menschlichen Körper wurden jetzt bekannt gegeben. Ein vollständiger Bericht der Ergebnisse wird wohl aber erst in ein oder zwei Jahren vorliegen.

  • GAMERGATE giga: Das sind side FBI-Akten aus der Gamergate-Affäre: Die Spielebranche war vor gut zwei Jahren in hegen Aufruhr versetzt. Das #Gamergate löste eine regelrechte Hexenjagd gegen weibliche Gamer aus, allen voran im Kreuzfeuer war Medienkritikerin Anita Sarkeesian. Jetzt hat das FBI die Akten veröffentlicht, die aus insgesamt 173 Seiten mit E-Mails, Artikeln und internen Memos besteht. Allerdings wurden die Untersuchungen des FBI ohne Anklage eingestellt.

  • DATENSCHUTZ netzpolitik: Drohender Datenschutz-Abbau: Bundesinnenministerium plant massive Abweichungen von europäischen Standards: Datenschutz scheint, wie wohl auch das Internet an sich, für das Bundesinnenministerium immer noch Neuland zu sein. Ein Einwurf eines neuen Datenschutzgesetzes, der in Kürze beschlossen werden soll, wurde jetzt harsch kritisiert. So sollen Vorstellungen umgesetzt werden, die auf eruopäischer Ebene nicht kompatibel sind. Heute soll das Bundeskabinett voraussichtlich den Entwurf für eine Datenschutzreform verabschieden. Das Datenschutzanpassungs- und Umsetzungsgesetz (DSAnpUG-EU) soll eigentlich nur Dinge regeln, die durch die im Frühjahr verabschiedete und ab Mai 2018 anzuwendende EU-Datenschutzgrundverordnung notwendig wurden.

  • FAKE NEWS digiday: The BBC is using “slow news” to fight fake news: Fake News sind in aller Munde, doch wie geht man gegen sie vor? Die BBC hat innerhalb ihres “Newsrooms” jetzt extra “lie-debunking-unit” eingesetzt. Das Team wird anhand des Traffics der Leser und deren Engagement mit dem Content wissen, wie sie ihre Arbeit fokussieren müssen. Der BBC News Redaktionsleiter James Angus betonte aber die Konzentration auf Qualität über Quantität bei dieser Maßnahme, ausgewählter Content soll ausreichend überprüft werden.

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Von lebenden Computern zu Nanorobotern: Wie wir uns die DNA über die Genetik hinaus zu Nutze machen.

DNA (Image by PublicDomainPictures [CC0Public Domain]) via Pixarbay

Die DNA ist eines der faszinierendsten Moleküle, die die Natur zu bieten hat. Sie allein beinhaltet die Möglichkeit, all die Information zu tragen, die nötig ist, um nahezu jede Art von Leben auf der Erde zu erschaffen, und das in mikroskopischer Form. Gerade jetzt finden Forscher Möglichkeiten, DNA darüber hinaus zu verwenden, indem sie sie nicht nur als Informationsspeicher, sondern auch um physische Komponenten in einer Reihe biologischer Maschinen zu erschaffen, nutzen.

Desoxyribonukleinsäure oder „DNS“ (Englisch: DNA, von Deoxyribonucleic acid) trägt die genetische Information, die wir und alle lebenden Organismen zum Leben und Funktionieren brauchen. Normalerweise kommt sie in der berühmten Doppelhelix-Form vor, also zwei Einzelstrang-DNA-Molekülen, die zu einer Spirale gefaltet sind. Jeder dieser Stränge besteht seinerseits aus vier verschiedenen molekularen Komponenten: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C).

Gene entstehen aus bestimmten Sequenzabfolgen dieser Bausteine. Die genetische Information ist codiert durch die Reihenfolge, in der die Bausteine in einem DNA-Strang aufgebaut sind. Durch das präzise Erstellen verschiedener Sequenzen aus A, G, T und C konnten Forscher zuletzt neue Faltmöglichkeiten der DNA entwickeln, zum Beispiel verschiedene Origami-Formen, also weit über die gewöhnliche Doppelhelix hinaus.

Dieser Ansatz hat neue Möglichkeiten eröffnet, DNA über ihren genetischen und biologischen Nutzen hinaus zu verwenden, sie wie Lego-ähnliches Material zum Bauen von Objekten zu verwenden, deren Durchmesser im Nanobereich nur einige wenige Milliardstel eines Meters misst. DNA-basiertes Material wird nun für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen verwendet, die von Schablonen für elektronische Nanotechnologiegeräte zu Möglichkeiten, wie Medikamente genau zu erkrankten Zellen gebracht werden können, reichen.

DNA-basierte Nanothermometer

Technische Geräte zu entwerfen, die nur einige Nanometer groß sind, ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, macht es aber auch schwerer, Mängel zu erkennen. Um dies zu umgehen, haben sich Forscher der Universität Montreal DNA zu Nutze gemacht, um ultrasensitive Thermometer im Nanoskalenbereich zu entwerfen, die dabei helfen könnten, winzige Hotpots in Nano-Geräten zu finden (die auf einen Mangel hinweisen könnten). Sie könnten außerdem genutzt werden, um die Temperatur innerhalb lebender Zellen zu beobachten.

Die Nano-Thermometer sind aus DNA-Schleifen gemacht, die als Schalter fungieren, sich also als Antwort auf Temperaturänderungen falten oder entfalten. Diese Bewegung kann sichtbar gemacht werden, indem optische Sonden an die DNA angehängt werden. Die Forscher wollen diese Nano-Thermometer nun in größere DNA Geräte einbauen, die im menschlichen Körper funktionieren können.

Biologische Nanoroboter

Forscher der Harvard Medical School nutzten DNA, um einen Roboter in Nanogröße zu erstellen und zu bauen, der als Medikamententransportmittel zu spezifischen Zielzellen fungiert. Der Nanoroboter ist aus einem Zylinder aus DNA gemacht, dessen zwei Hälften über ein Scharnier verbunden sind, das durch spezielle DNA-Bügel geschlossen gehalten wird. Diese Bügel können Kombinationen spezifischer Proteine auf der Oberfläche von Zellen erkennen, inklusive solcher, die mit Krankheiten assoziiert sind.

Wenn der Roboter mit den richtigen Zellen in Kontakt kommt, wird der „Behälter“ geöffnet und die Ladung abgeliefert. Als die Roboter zu einer Mischung aus gesunden und krebsbefallenen menschlichen Zellen gegeben wurden, zeigten sie die Fähigkeit, die Hälfte der Krebszellen zu finden und zu zerstören, während die gesunden Zellen unversehrt blieben.

Bio-Computer bei lebenden Tieren

Weil DNA-Strukturen als Schalter fungieren können, die sich von einer in eine andere Position bewegen, können diese genutzt werden, um logische Operationen auszuführen, die Computerkalkulationen möglich machen. Forscher an der Harvard und der Bar-Ilan-Universität in Israel nutzten diesen Prinzip, um verschiedene Roboter in Nanogröße zu bauen, die miteinander interagieren können, indem sie ihre DNA Schalter zum Reagieren auf und Produzieren von verschiedenen Signalen nutzen.

Darüber hinaus pflanzten die Wissenschaftler die Roboter in lebende Tiere ein, in diesem Fall in eine Küchenschabe. Dies erlaubte ihnen, eine neue Art biologischen Computer zu entwickeln, der die Abgabe von therapeutischen Molekülen in der Küchenschabe kontrollieren kann, indem Elemente seiner Struktur auf „An“ oder „Aus“ geschaltet werden. Nun wird eine Studie geplant, die diese DNA Nanoroboter bei Menschen testen soll.

Licht einfangende Antennen

Wie die DNA dafür genutzt werden kann, winzige Maschinen zu bauen, kann sie auch eine Möglichkeit für uns bieten, natürliche Prozesse im Nanobereich zu kopieren. Die Natur kann zum Beispiel Energie aus der Sonne gewinnen, indem die durch Photosynthese Licht in chemische Energie umsetzt, die als Treibstoff für Pflanzen und andere Organismen fungiert (und die Tiere, die diese essen). Forscher an der Arizona State Universität und der Universität der British Columbia haben nun eine dreiarmige DNA Struktur erschaffen, die Licht fangen und übertragen kann und damit diesen Prozess imitiert.

Photosynthese funktioniert in lebenden Organismen aufgrund von winzigen Antennen, die von einer großen Anzahl an Pigmentmolekülen in bestimmter Ausrichtung und Abstand zueinander gebildet werden und die die Fähigkeit besitzen, sichtbares Licht zu absorbieren. Die künstliche DNA-basierte Struktur arbeitet ähnlich wie diese Antennen, indem sie die Position spezifischer Farbstoffmoleküle kontrolliert, die die Lichtenergie absorbieren und zu einem Reaktionszentrum leiten, wo sie in chemische Energie umgewandelt wird. Diese Arbeit könnte den Weg ebnen für Geräte, die es schaffen, diejenige Energiequelle, die wir am reichlichsten frei zur Verfügung haben, effizienter zu nutzen: das Sonnenlicht.

Was kommt also als nächstes in der DNA-Nanotechnologie? Das ist schwer zu sagen, aber mit der DNA hat uns die Natur ein sehr vielseitiges Werkzeug zur Verfügung gestellt. Es liegt nun an uns, daraus das Beste zu machen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image „DNA“ by PublicDomainPictures (CC0 Public Domain).


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5 Lesetipps für den 8. November

In unseren Lesetipps geht es heute um soziale Netzwerke für Unternehmen, Microsoft verdient an Android mit, die weltgrößte DNA-Datenbank, Twitters Börsengang und Minecraft. Ergänzungen erwünscht.

  • SOZIALE NETZWERKE t3n: Vorteile und Nachteile von Enterprise-Social-Networks: Es gibt gute Gründe für Unternehmen, sich mit Enterprise-Social-Networks auseinanderzusetzen. Über Vorteile, Nachteile und Plattformen klärt der ehemalige Netzpilot Andreas Weck in einem Beitrag für t3n auf.
  • MICROSOFT Business Insider: Microsoft Earns $2 Billion Per Year From Android Patent Royalties: Die Meldung gehört seit Jahren zu den beliebtesten Artikeln auf Android-Blogs: Microsoft verdient an Androids Erfolg mit, denn das Unternehmen besetzt viele wichtige Patente. Rick Sherlund, Analyst bei Nomura, hat neu ausgerechnet, wie viel Microsoft jedes Jahr an Googles Android verdient: 2 Milliarden Dollar. Eine gute Einnahmequelle für ein Unternehmen, dessen eigene Mobile- oder Game-Produkte eher Geld kosten.
  • DNA G! gutjahrs blog: 23andMe – Besuch beim Google-Klon für Erbgut: Im Silicon Valley hat der Wettlauf um die menschliche DNA begonnen. Ausgerechnet das Startup 23andMe, das eng mit dem Suchmaschinen-Giganten Google verbandelt ist, schickt sich an, die weltgrößte Datenbank für menschliches Erbgut zu errichten. Richard Gutjahr hat das Unternehmen besucht und sich mit Unternehmenssprecherin Catherine Afarian unterhalten. Ein lesenswertes Interview.
  • TWITTER Zeit Online: Twitter startet sein Börsendebüt mit einem beachtlichen Aufschwung: Twitter ist gestern mit einem Kurszuwachs von über 90 Prozent an der Börse in New York gestartet. Gestartet ist die Twitter-Aktie bei 45,10 Dollar, dann stieg sie bis auf 50 Dollar. Bei einem Ausgabepreis von 26 Dollar bedeutet ein Plus von mehr als 90 Prozent in den ersten Stunden. Der Börsengang des Kurznachrichtendienstes ist der größte in der Technologiebranche seit dem von Facebook im Mai.
  • MINECRAFT CNET News: Markus ‚Notch‘ Persson – The mind behind Minecraft: Auf CNET schreibt Nick Statt über Markus Persson, den Entwickler von Minecraft, der sich in nur zwei Jahren von einem Spieleentwickler zu einem Wirtschaftsprominenten entwickelt hat. Mit MInecraft hat er ein Spiel mit hohen Suchtfaktor geschaffen, dass inzwischen als virtuelles Lego bezeichnet wird, doch gleich nach Veröffentlichung hat Persson das Spiel verlassen.

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Digital Natives – Über die naiv-kompetenten Web-Youngsters

Eine junge Generation von Internetnutzern steht gerade im Zentrum der Aufmerksamkeit von Forschern, Telekommunikationsunternehmen und Internetdiensten: die Digital Natives. Eine Nutzergruppe, die nicht mehr zwischen Online- und Offline-Identität unterscheidet, die sich Nachrichten über Facebook und StudiVZ zusendet statt E-Mails und für die YouTube zum täglichen Leben gehört wie für Ältere die allabendliche Tagesschau. Die Digital Natives sind mit den digitalen Medien aufgewachsen, bewegen sich seit ihren Kindertagen im World Wide Web. Dadurch verändern sie Einstellungen von Identität und Privatheit, ihr Lernverhalten und nicht zuletzt die Arbeitswelt – so zumindest einige Thesen.

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