Bioinformatik: The Next Generation Prof. Dr. Caroline Friedel Lehr- und Forschungseinheit Bioinformatik

Was ist Bioinformatik? Theoretische und Praktische Informatik Statistik, Mathematik Molekularbiologie, Biochemie, Genetik, Evolutionsbiologie, … „Die Bioinformatik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die Probleme aus den Lebenswissenschaften mit theoretischen computergestützten Methoden löst“ Wikipedia

Informatik → Methoden: •  Algorithmen •  Theoretische Informatik •  Datenbanken •  Softwareentwicklung Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

Biologie → Anwendungen: •  Genomsequenzierung •  Genexpressionsanalyse •  Biologische Netzwerke •  … 2

Der Klassiker: Sequenzsuche CATTATCTGTTTTTGCTATTAATGTCATACCTGCTATTCAGACAAATCAATTTGCTCTCTTAATAAAGGATG AGCTTCCTGTAGCTTTTTGTAGCTGGGCCAGTTTAGATCTGGAATGTGAGGTAAAATATATAAATGAT

•  BLAST= Basic Local Alignment Search Tool

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Der Anfang der Bioinformatik •  Erste Anwendungen: –  Gen- und Proteindatenbanken, Proteinstrukturen, etc. –  Sequenzanalyse und -vergleiche •  Der Durchbruch: –  Genomsequenzierung –  Shotgun sequencing –  Assemblierung notwendig –  Menschliches Genom (Celera) •  > 27 Mio Reads (~550 bp) •  > 20.000 CPU Stunden •  300 Mio $ Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Was noch? • 

Gen-Vorhersage und Annotation

• 

Analyse der GenomStruktur und Evolution

•  Proteinfunktion: Vorhersage und Analyse

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15./16. Februar 2001: Die ersten Drafts

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Nach dem Genom •  Ursprüngliche Hoffnung: Genomsequenz verbessert Verständnis von –  Menschlicher Evolution –  Ursachen von Krankheiten –  Wechselspiel zwischen Umwelt und Vererbung

•  Stattdessen eher nur mehr Fragen –  Viel weniger Gene als erwartet: ~20,000 anstatt > 100,000 –  96-99% Ähnlichkeit zwischen Mensch und Schimpanse. Woher kommt der Unterschied ? –  Nur wenige Krankheiten durch einzelne Mutationen und Gene verursacht

•  Komplexität durch Interaktion zwischen Genom und Umwelt Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Nach dem Genom

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Nach dem Genom – Die Ära der Omics •  •  •  •  •  •  •  • 

Omics = Genomweite Studien Genomics = Alles was es im Genom gibt Transcriptomics = Alle Transkripte / mRNA Proteomics = Alle Proteine Interactomics = Alle Interaktionen Metabolomics = Alle Metabolite Kinomics = Alle Kinasen …

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Next-Generation-Sequencing: Das Comeback der Sequenzierung •  Schnell und einfach zu bedienen •  Hoher Durchsatz •  ⇒Sequenzieren wird immer billiger

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Genome über Genome •  Eukaryoten: 1842 (2015) •  Prokaryoten: 30684 (2015) •  Viren: 4465 (2015)

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Genome über Genome

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Next-Generation-Sequencing: Das Comeback der Sequenzierung •  Nicht mehr nur Genom-Sequenzierung sondern auch –  RNA-Sequenzierung (RNA-seq) –  ChIP-seq –  DNase-seq –  Ribsome profiling –  …

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Beispiel-Fragestellung: RNA Sequenzierung (RNA-seq) Eingabe: Kurze SequenzierReads Alignment gegen das Genom

Welche mRNAs gibt es?

Wie häufig sind sie?

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ENCODE •  The ENCODE Project: ENCyclopedia Of DNA Elements

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ENCODE

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Big Data •  •  •  • 

1,600 Arten von Experimenten 147 Gewebearten >15 Billionen Bytes Rohdaten = 15 Terabyte >300 Computerjahre für die Analyse

Datenmenge pro Run Dauer Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Next-Generation-Sequencing: Das Comeback der Bioinformatik

Ohne Bioinformatik geht in der (experimentellen) Biologie nichts mehr Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Wofür braucht man Bioinformatik ? •  Datenverwaltung –  Speichern –  Indizieren –  Integration

Datenbanken

•  Datenverarbeitung –  z.B. Assemblierung –  Read-Mapping –  Normalisierung

•  Analyse und Interpretation Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

Software / Webserver Biologische Erkenntnisse 19

Ziel: Von Daten zur Systembiologie •  Möglichst vollständige Beschreibung eines biologischen Systems Detailgrad

Größe des Systems Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Arbeitsfeld Biologie

Informatik

Softwareentwicklung Datenbanken Entwicklung neuer Methoden Anwendung: Verwendung existierender Methoden Experimentelle Arbeit mit bioinformatischer Unterstützung Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Jobaussichten •  Wissenschaft •  Biotechnologie-Unternehmen: –  Illumina, Applied Biosystems, Affymetrix, Eurofins, etc.

•  Pharmazeutische Forschung: –  Boehringer-Ingelheim, Bayer Schering, Roche, etc.

•  Softwareentwicklung –  Genomatix, Biomax, etc.

•  Unternehmensberatung Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Studienplan Bioinformatik Bachelor Informatik

Mathematik, Bioinformatik Statistik

Biologie, (Bio)chemie

1 Programmierung

Analysis

Einführung in die Bioinformatik I

Chemie Biologie

2 Algorithmik

Logik & Diskrete Strukturen

Einführung in die Bioinformatik II Problem-Based Learning

Biologie Biochemie Grundlagen

Problem-Based Learning Programmier-Praktikum

Biochemie Grundlagen

Stochastik & Algorithm. Bioinformatik I Statistik

Fortgeschr. Biochemie

3 Datenbanken Lineare Algebra 4 Theoretische Informatik 5

Algorithm. Bioinformatik II Praktikum

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Weiterf. Bioinfo., Prakt. Arbeit & Bachelorarbeit

Wahlpflichtveranstaltungen

Praktikum

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Zulassung •  Eignungsfeststellungsverfahren (EFV) •  Bewerbung bis zum 15. Juli –  –  –  – 

Ausgefüllter Bewerbungsbogen (online) kurzer tabellarischer Lebenslauf Kopie des Abiturzeugnisses Kurzaufsatz, warum man Bioinformatik studieren will

•  Auswertung –  Abiturnote –  Besonders Fächer: Mathematik, Biologie, Informatik, Chemie, Physik, Deutsch, Englisch ⇒ Annahme oder Auswahlgespräch

•  Auswahlgespräch –  Bewertung: Abiturnote und Ergebnis des Auswahlgesprächs Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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Annahmequoten Beworben Angenommen

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

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Professoren Lehrstühle Zimmer

Professoren für Bioinformatik

Assoziierte Gruppen

Heun

Friedel

Antes

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Mewes

Frishman

Metzler

Rost

N.N. Gagneur

Theis 26

Standorte

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Standorte

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Studierende 300

Master

Bachelor

Diplom

250 200 150 100

0

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

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Weitere Informationen •  Web-Seite zum gemeinsamen Studiengang: –  www.bioinformatik-muenchen.de/

•  Web-Seite zum EFV mit Formularen: –  https://www.bio.ifi.lmu.de/studium/studiengaenge_bioinformatik/

•  Fachschaft Bioinformatik: –  www.bioinformatik-muenchen.com/

•  Facebook-Seite –  http://www.facebook.com/Bioinformatik.Muenchen

•  Informationsstand: HS A 120

Noch Fragen ? Prof. Dr. Caroline Friedel, Tag der offenen Tür der LMU

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