Algorithmen der Bioinformatik

Inhalt

Inhalt: Das Modul Bioinformatik besteht aus den Komponenten Bioinformatik I (WS 2001/2002), Bioinformatik II (SS 2002) und einem Bioinformatikpraktikum (Blockveranstaltung).
Der Kurs Bioinformatik I (Algorithmen der Bioinformatik) richtet sich im allgemeinen an alle Studenten, die Interesse an der Bioinformatik haben und speziell an Informatik-, Mathematik- oder Biologiestudenten. Wie der Name schon impliziert werden zwei an sich unabhängige Wissensbereiche angesprochen und bedürfen auch einer gesonderten Betrachtung in der Vorlesung:

Biologische Ebene
Von Bedeutung sind hier die Prozesse und Mechanismen rund um die DNA. Dazu gehören u. a.:

Molekularbiochemische Strukturen und Prozesse (Nukleotide, RNA, DNA-Doppelhelix, Proteine, Bindungen untereinander etc.)

Genauere Betrachtung der DNA-Doppelhelix (Gene, Promoter, Introns, Exons, Start- und Stoppcodons etc.)

Proteinbiosynthese (Transkription, Translation, mRNA, tRNA etc.)

Proteine (Wirkungen, räumliche Strukturen, aktive Stellen etc.)

Enzyme (Wirkungen, Restriktionsenzyme, Primer etc.)

Technische Methoden (Klonen, Sequenzierung, PCR, Gel-Elektrophorese etc.)

Informatische Ebene
Hierzu gehören alle algorithmischen Verfahren und Methoden der Mathematik sowie implementierte Lösungsansätze aus der Informatik:

Abstrakte Beschreibung der Probleme in mathematischer Notation (Theoretisch Informatik, Graphentheorie)

Gedanken über effiziente Algorithmen (Laufzeitbestimmung, Optimierungsmöglichkeiten)

Besprechung und Veranschaulichung dieser Algorithmen

Benutzte Strukturen (Endlicher Automat, Suffix- und PQ-Bäume etc.)

Da es sich aber in diesem Kurs um die Algorithmen der Bioinformatik handelt, darf man nicht verkennen, dass sich der Hauptaspekt dieser Vorlesung auch auf eben dieses Thema richtet. Die biologische Ebene vermittelt daher eher das Basis- und Hintergrundwissen, um das sich die Algorithmen drehen. Dieser Kurs gibt daher einen globalen Überblick über beide oben angeführten Ebenen und der vorhandenen Algorithmen.
Alles, "was im Kopf weh tut", wird dann in der Komponente Bioinformatik II (SS 2002) behandelt. Dort werden dann speziell schwierigere Algorithmen genauer betrachtet und eine exakte Laufzeitanalyse berechnet.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit an einem Bioinformatikpraktikum teilzunehmen und dort einen Praktikumsschein zu erwerben. Mögliche Themen müssen bei Bedarf mit dem Dozenten abgesprochen werden. Vorstellbar wäre eine Implementation eines Algorithmus in einer Programmiersprache und dem anschließenden Test an DNA-Sequenzen (näheres hierzu finden Sie unter dem Punkt Praktikumsthemen auf der Hauptseite).

Das Besondere an diesem Thema ist, dass man lange glaubte, die Leistung der Informatik sei ausgereizt. Wachsender Speicher und steigende Arbeitsgeschwindigkeit der Computer sorgen für eine weitere Laufzeitverbesserung. Aber an eine effizientere Implementation der bereits vorhandenen Algorithmen hat man nicht mehr geglaubt. Diese Einstellung hat sich aber mit dem Aufkommen des Genomprojekts deutlich gewandelt. Die Bioinformatik hat es mit riesigen Datenmengen zu tun (beim Menschen allein mit 3 Mrd. Basenpaaren). Diese Dimensionen stellten den Informatiker vor ganz neue Herausforderungen und tatsächlich wurden gerade in den letzten Jahren viele neue Algorithmen erfunden oder verbessert, die mit sehr schlauen Tricks diese Probleme angehen und z. T. sogar mit linearem Zeitaufwand lösen (speziell Pattern Matching).