de.NBI - Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur

Verbundprojekt „de.NBI - Partner - de.NBI-epi“

Das de.NBI-Partner-Verbundprojekt de.NBI-epi möchte Verbesserungen bei der Bioinformatik-Infrastruktur auf dem Forschungsgebiet der Epigenetik erreichen. Die Epigenetik befasst sich mit der Frage, welche Faktoren die Aktivität eines Gens – und damit die Entwicklung der Zelle – bestimmen. Verfahren zur computergestützten Analyse von epigenetischen Daten existieren bereits; ihre Benutzung ist jedoch Expertinnen und Experten vorbehalten. Auch ist die Integration von Daten aus verschiedenen Analysewerkzeugen aufgrund des Fehlens von definierten Schnittstellen extrem aufwändig und kompliziert.

Unter dem Dach von de.NBI soll eine Bioinformatik-Infrastruktur etabliert werden, die künftig auch Arbeitsgruppen mit Epigenetik-Fragestellungen unterstützt. Die neue Infrastruktur soll den Forscherinnen und Forschern dabei helfen, Daten aus Experimenten mit Arrays oder Next-Generation-Sequenzing nach bestmöglichen Standards durchzuführen und auszuwerten. Dafür soll die Nutzung von bereits existierenden Verfahren für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einfacher und besser gemacht werden. Insbesondere ist geplant, die integrative Analyse der Ergebnisse zur erleichtern und Referenzdatensätze einheitlich anzubinden. Die geplanten Maßnahmen sollen zusätzlich durch Trainingsprogramme flankiert werden, in denen sowohl die theoretischen Grundlagen als auch praktische Fähigkeiten zur Analyse vermittelt werden.

Teilprojekt Heidelberg

Teilprojekt Berlin

Teilprojekt Freiburg

Teilprojekt Saarbücken

Einzelprojekt „de.NBI - Partner: DAIS - Dresdner Bild-Analyse Suite“

Das de.NBI-Partner-Projekt DAIS möchte Verbesserungen bei der Bioinformatik-Infrastruktur auf dem Gebiet der Bildanalyse erreichen. Dank immer modernerer Analysegeräte wie beispielsweise hochauflösenden Lichtmikroskopen steigt die Menge an Bilddateien und damit der Bedarf an neuen Verarbeitungs-, Berechnungs- und Auswerteverfahren rasant an. Ziel des Projektes ist es, ein benutzerfreundliches und leistungsstarkes Software-Werkzeug für die biologische Bildanalyse zu entwickeln und den Forscherinnen und Forschern bereitzustellen.

Im Rahmen des Projekts sollen dafür zwei viel genutzte Open Source Software-Pakete (also frei verfügbare Software-Programme) intelligent miteinander verknüpft und weiterentwickelt werden. Bei den Software-Paketen handelt es sich zum einen um das Programm „Fiji“, eine offene Analyse-Plattform für biologische Bilddateien sowie das Programm „KNIME“, ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erstellung von Prozessen und Workflows. Durch die Verbindung dieser beiden Systeme können Nutzerinnen und Nutzer künftig Bildverarbeitungsprozesse wesentlich besser abbilden und biologische Bilder effizient aufbereiten. Auch die Auswertung würde sich durch eine Verknüpfung deutlich verbessern. Ergänzend sollen im Rahmen des Projektes zudem auch Nutzerschulungen angeboten und sogenannte Hackathons veranstaltet werden. Hackathons sind Veranstaltungen, bei denen Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus unterschiedlichen Fachrichtungen der Software- oder Hardwareindustrie gemeinsam an neuen Software-Produkten arbeiten. Sowohl Nutzerschulungen als auch Hackathons haben sich in der Vergangenheit als sehr gut geeignet erwiesen, um Open-Source-Projekte gemeinsam weiterzuentwickeln.

Einzelprojekt „de.NBI - Partner – MetaProtServ“

Das de.NBI-Partner-Projekt MetaProtServ verfolgt das Ziel, Verbesserungen auf dem Forschungsgebiet der Metaproteomik zu erreichen. Die Metaproteomik untersucht komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften, das sogenannte Metaproteom, und analysiert die einzelnen zellulären Funktionen. Beispiele für Metaproteom sind die menschliche Darmflora oder die Gesamtheit aller Bakterien (Biozönose) in einer Biogas- oder Abwasserreinigungsanlage. Um krankhafte Veränderungen im Darm besser erkennen oder die Bakterienzusammensetzung in Biogas- und Abwasserreinigungsanlagen gezielt verändern zu können, sind genauere Kenntnisse über das Metaproteom notwendig.

Derzeit liefern die Metaproteomik und die sie ergänzenden bioinformatischen Werkzeuge, die ursprünglich für die Proteomik von Reinkulturen entwickelt wurden, jedoch oft keine zufriedenstellenden Ergebnisse: Um Proteine zu identifizieren, wird meist eine Datenbanksuche mit Metagenom-Sequenzen durchgeführt. Diese kommt häufig zu einer hohen Zahl redundanter Treffer in Bezug auf die Taxonomie und die Funktion der identifizierten Proteine.

Um hier Verbesserungen zu erreichen, wurde an der Universität Magdeburg die MetaProtServ-Software entwickelt. Im Rahmen des Projektes soll das benutzerfreundliche Programm nun mit einer graphischen Oberfläche als Web-Service verfügbar gemacht werden, um mehr Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Nutzung dieses Programmes zu ermöglichen. Ein Anwender-Training sowie ein individueller Support bei Problemen sollen zusätzlich die Zugänglichkeit dieser Software in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erleichtern. Funktionalität und Wartungsfreundlichkeit werden ebenfalls weiterentwickelt mit dem Ziel, die Software um Schnittstellen für den Import und Export von Metaproteom-Daten zu erweitern. Zudem ist geplant, Nutzerschulungen anzubieten und sogenannte Hackathons zu veranstalten. Beides hat sich in der Vergangenheit als sehr gut geeignet erwiesen, um Open-Source-Projekte gemeinsam weiterzuentwickeln.

Verbundprojekt „de.NBI-Partner: ModSim - Ressourcen, Dienstleistungen und Entwicklungen für die systembiologische Modellierung“

Mit dem de.NBI-Partner-Verbundprojekt ModSim sollen dem de.NBI-Netzwerk nun auch Methoden und integrierte Software-Werkzeuge hinzugefügt werden, die der Konstruktion, der Simulation und der Analyse mathematischer Modelle von biologischen Systemen dienen. Mit der Integration dieses wichtigen Teilgebietes der Bioinformatik können dann im Rahmen von de.NBI zukünftig auch Dienstleistungen und leistungsstarke Ressourcen im Bereich der systembiologischen Modellierung angeboten werden.

Das Verbundprojekt ModSim wird sich im Wesentlichen mit den beiden Modellierungswerkzeugen COPASI und CellNetAnalyzer beschäftigen. Diese sollen als neue Ressourcen innerhalb des de.NBI-Netzwerkes bereitgestellt werden. Es ist zudem vorgesehen, einen erweiterten Benutzersupport aufzubauen und zu unterhalten sowie verschiedene Trainingskurse und Workshops im Bereich der systembiologischen Modellierung auszuarbeiten und anzubieten. Dabei könnten interessierte Nutzerinnen und Nutzer in die verschiedenen Techniken der Modellierung von zellulären Systemen und Netzwerken eingeführt werden. Auch der Umgang mit COPASI und CellNetAnalyzer soll so praxisnah vermittelt werden. Schließlich ist vorgesehen, de.NBI-relevante Weiterentwicklungen an COPASI und CellNetAnalyzer vorzunehmen. So sollen u.a. Standardisierungen von Modell- und Simulationsbeschreibungen eingeführt werden, die im bereits existierenden de.NBI-Knoten NBI-SysBio ausgearbeitet worden sind. Zudem soll untersucht werden, welche Schnittstellen zwischen bereits existierenden Ressourcen des de.NBI-Netzwerkes und COPASI bzw. CellNetAnalyzer eingerichtet werden können, um bestimmte Funktionalitäten zu integrieren. Weitere Erweiterungen in COPASI oder CellNetAnalyzer könnten – sofern verstärkt nachgefragt und im Rahmen des Projektes realisierbar – implementiert werden.

Teilprojekt Heidelberg

Teilprojekt Magdeburg

Einzelprojekt „de.NBI - Partner: Integrierte Webservices zur Unterstützung strukturbasierter, lebenswissenschaftlicher Forschung in der Protein-Biochemie, insbesondere Enzymologie“

Das vorliegende de.NBI-Partner-Einzelprojekt verfolgt das Ziel, allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern Proteinstrukturdaten im Bereich der modernen Lebenswissenschaften einfach zugänglich und nutzbar zu machen. Dafür soll die Protein-Datenbank PDB, die sich bereits als weltweit zentraler Knotenpunkt für Experimentaldaten in diesem Bereich etabliert hat, ausgebaut werden. Im Rahmen des Projekts sollen die in der PDB bereits vorhandenen Strukturdaten mit wichtigen, automatisierten Präprozessierungsverfahren angereichert werden, die für die Nutzung der Daten in der biotechnologischen Forschung notwendig sind. Insbesondere sollen Suchverfahren entwickelt werden, die eine gezielte Auswahl forschungsrelevanter Proteine auf der Basis von Struktureigenschaften ermöglichen würden. Die Schwerpunkte liegen dabei auf der Betrachtung aktiver Zentren und Interaktionen zu niedermolekularen Substanzen wie Substrate, Co-Faktoren und Inhibitoren. Als Entwicklungsbasis dient der am Zentrum für Bioinformatik in Hamburg etablierte "ProteinsPlus-Server".

Das Projekt gliedert sich in drei Phasen: In der ersten Phase erfolgt die Spezifikation des Gesamtfunktionsumfangs. Alle Funktionen werden in drei Kategorien eingeteilt, und es erfolgt vor allem die Planung und Umsetzung der Schnittstelle zwischen dem ProteinsPlus-Server und anderen Servern. In der zweiten Phase ist u.a. der Aufbau einer Suche auf der Basis von Bindetaschenvergleichen geplant. In der dritten Phase wird schließlich im Wesentlichen die Suchfunktion finalisiert, so dass die Benutzerinnen und Benutzer weitestgehend selbsterklärend durch einen Daten-Vorbereitungsprozess geleitet werden. In allen drei Phasen werden begleitend Kursmaterialen und entsprechende Weiterbildungsangebote im Bereich der Protein-Strukturbioinformatik entwickelt.

Verbundprojekt „de.NBI - Partner - de.STAIR“

Das de.NBI-Partner-Verbundprojekt de.STAIR beschäftigt sich mit der Analyse von RNA-Sequenzierungen. Ziel des Projektes ist es, benutzerfreundliche Arbeitsabläufe zur Analyse und Integration von Genexpressionsdaten zu entwickeln und praktische Hilfestellung bei der Auswertung von RNA-Sequenzierungsexperimenten zu geben. In diesem Bereich ist die sogenannte RNA-Seq mittlerweile zu einem weit verbreiteten Werkzeug geworden, mit deren Hilfe die Genexpression quantitativ und qualitativ untersucht werden kann. Die Qualität der RNA-Sequenzierung schwankt jedoch: Die Vielfalt der Studiendesigns, die große Anzahl von RNA-Seq-Protokollen sowie die charakteristischen Eigenschaften der untersuchten Organismen haben großen Einfluss auf nachgelagerte Analysen.

Das de.STAIR-Projekt soll daher die Werkzeuge und Arbeitsabläufe des de.NBI-RNA-Bioinformatik-Zentrums (RBC) um weitere Werkzeuge ergänzen mit dem Ziel, die Rohdaten-Analyse und die umfassende Integration von Genexpressionsdaten weiter zu verbessern. Zudem ist vorgesehen, bereits verfügbare Algorithmen weiterzuentwickeln und zu optimieren. Die Arbeitsabläufe und automatisierten Verarbeitungsketten (die sogenannten „Processing Pipelines“) zur Analyse von RNA-Seq Daten werden dabei – in Abstimmung mit dem RBC – von den drei Teilprojektpartnern gemeinsam entwickelt. Zudem ist geplant, spezielle Trainingsmaßnahmen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anzubieten, um Hürden bei der RNA-Seq-Datenanalyse zu verringern.

Teilprojekt Leipzig

Teilprojekt Freiburg

Teilprojekt Rostock

Einzelprojekt „de.NBI - Partner: MASH pflegt und integriert Software zur Metaboliten-Annotation in die de.NBI-Infrastrukturen und bietet einen Service rund um standardkonformes Datenmanagement und Nachnutzung von Daten aus Metabolomics-Experimenten“

Das de.NBI-Partner-Projekt MASH verfolgt das Ziel, Verbesserungen auf dem Forschungsgebiet der Metabolomik zu erreichen. Die Metabolomik beschäftigt sich mit Stoffwechselprodukten (Metaboliten) und deren Analyse. Eine weit verbreitete Methode, um Metabolite in einem biologischen System zu erfassen und auszuwerten, ist die Massenspektrometrie: Bei dieser Messmethode werden die Substanzen durch ihre Masse charakterisiert. Die für eine Interpretation notwendige Molekülstruktur kann mit dieser Technik jedoch nicht erfasst werden. Lösungen für diese Problematik bietet hier die Bioinformatik an: So wurden in der Vergangenheit am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle (IPB) bereits die Software-Systeme MassBank und MetFrag entwickelt. Diese Computerprogramme unterstützen die Analyse von Massensprektrometrie-Daten und ermöglichen eine Beschreibung von Metaboliten für die funktionelle Zuordnung.

Im Rahmen des MASH-Projektes soll die Analyse-Software für Massensprektrometrie-Daten nun weiter verfeinert und die Systemsicherheit und –skalierbarkeit von zwei Datenbanksystemen verbessert werden. Es ist geplant, die am IPB entwickelten Metaboliten-Identifikationsysteme MetFrag und MetFusion in den sogenannten Metabolomics-Workflow-Service im Rahmen des de.NBI-Netzwerkes zu integrieren. So ließe sich künftig die Servicequalität überwachen, und die Leistungsfähigkeit könnte bei steigender Nutzung den Anforderungen angepasst werden. Weitere Ziele sind die Verbreitung von Metabolomics-Standards und die Aufarbeitung von Datensätze für Veröffentlichungen.

Verbundprojekt „de.NBI - Partner – LIFS“

Mit dem de.NBI-Partner-Verbundprojekt LIFS sollen dem bestehenden Angebot des de.NBI-Netzwerkes nun auch spezifische Softwarelösungen hinzugefügt werden, mit denen die komplexen Zusammenhänge in der Signaltransduktion und der Regulierung des Lipid-Stoffwechsels untersucht werden können. Unregelmäßigkeiten in diesem Bereich sind oft ursächlich für die Entwicklung von Krankheiten.

Verschiedene Suchmaschinen, Quantifizierungsalgorithmen, Visualisierungen, Validierungen und Werkzeuge für die vergleichende Lipid-Analyse existieren bereits, sind aber bislang noch nicht gut genug für große biomedizinische Studien – etwa im Bereich der degenerativen Erkrankungen oder des metabolischen Syndroms – geeignet. Im Rahmen des Projekts sollen daher verbesserte Lösungen erarbeitet und angeboten werden.

Die angedachten Lösungen umfassen eine effiziente Datengenerierung und Experiment-Planung sowie eine Implementierung von Konvertierungswerkzeugen für massenspektrometrische Daten. Ferner sollen künftig Lipid-Identifikationen und Quantifizierungen bis hin zur funktionalen Analyse ermöglicht werden. Es ist geplant, alle Werkzeuge über ein Web-Portal der gesamten Forschergemeinschaft zur Verfügung zu stellen. Zudem ist vorgesehen, spezielle Trainingsmaßnahmen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anzubieten, um diese bei der Datenauswertung im Bereich des Fettstoffwechsels zu unterstützen.

Teilprojekt Dortmund

Teilprojekt Borstel

Teilprojekt Dresden

Verbundprojekt „de.NBI - Etablierungsphase - Koordinierungs- und Administrationseinheit CAU – de.NBI-Geschäftsstelle“

Mit diesem Verbundvorhaben wird die Funktion eines Koordinators bereitgestellt und eine Geschäftsstelle etabliert, die die Errichtung und den Betrieb des deutschen Netzwerks für Bioinformatik-Infrastruktur (de.NBI) steuert. Hauptaufgabe des Koordinators ist es, dafür Sorge zu tragen, dass sich de.NBI zu einer erstklassigen Service-Einrichtung entwickelt, die Nutzern aus dem lebenswissenschaftlichen Sektor die Bearbeitung von großen Datenmengen mit bioinformatischen Methoden ermöglicht. Zu diesem Ziel tragen insgesamt 23 Projektpartner bei, die als Expertenteams für die unterschiedlichen Anfragen der Nutzer zur Verfügung stehen.

Die de.NBI-Geschäftsstelle ist die zentrale Unterstützungsstelle für den de.NBI-Koordinator und die zentrale Koordinationseinheit (CCU). Die Geschäftsstelle organisiert und führt die verschiedenen Treffen im Netzwerk durch und bündelt die Kommunikation innerhalb des Netzwerks. Sie ist die zentrale Kontaktstelle für Nutzer der de.NBI-Dienstleistungen, für Industriepartner und die Öffentlichkeit. Die Geschäftsstelle ist verantwortlich für den Aufbau und die Weiterentwicklung des zentralen Webportals mit dem Ziel eines einheitlichen Auftretens und einer einheitlichen Organisation des de.NBI-Netzwerks. Sie koordiniert die Schulungsangebote und Ausbildungsaktivitäten und erarbeitet Richtlinien für akademische und industrielle Nutzer der de.NBI-Angebote.

Teilprojekt Bielefeld I

 b) Abgeschlossene Projekte