Informatik in den Biowissenschaften: 1. Fachtagung der GI-FG 4.0.2 „Informatik in den Biowissenschaften“, Bonn, 15./16. Februar 1993

219 Pages·1993·11.237 MB·German

by  Dr. Wolfgang Stöffler (auth.), Ralf Hofestädt, Fritz Krückeberg, Thomas Lengauer (eds.)

Informatik aktuell
Herausgeber: W. Brauer
im Auft rag der Gesellschaft fur Informatik (GI)
R. Hofestadt F. KrUckeberg T. Lengauer (Hrsg.)
Informatik in den
Biowissenschaften
1. Fachtagung der GI-FG 4.0.2
"Informatik in den Biowissenschaften"
Bonn, 15,/16. Februar 1993
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Herausgeber
Ralf Hofestadt
Universitat KoblenzILandau, Fachbereich Informatik
Rheinau 3-4, W-5400 Koblenz
Fritz KrUckeberg
Thomas Lengauer
GMD St. Augustin und Universitat Bonn, GMD-Il
SchloG Birlinghoven, W-5205 St. Augustin 1
CR Subject Classification (1992): A.O, F.4.2, G.1.2, H.Ll, H.2.8, 1.2.1,
1.2.9,1.3.2, J.3
ISBN-13: 978-3-540-56456-0 e-ISBN-13: 978-3-642-78072-1
DOl: 10.lO07/978-3-642-78072-1
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1993
Reprint ofthe original edition 1993
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Vorwort
Die Fachtagung Bioinformatik Bonn (Bffi'93) war die erste Fachtagung der Fachgruppe
4.0.2 'Informatik in den Biowissenschaften' in der Gesellschaft fUr Informatik e.V. Die
Fachgruppe wurde zu Beginn des Jahres 1992 gegriindet mit dem Ziel, die von der
Bundesregierung im Programm "Biotechnologie 2000· angesprochene Liicke im Bereich
Informatik und Biowissenschaften zu schlieBen. Die Aufgaben der Fachgruppe liegen in der
Verkniipfung von Informatik und Biologie mit folgenden Schwerpunkten:
- Verflechtung moderner biotechnologischer Forschung mit anwendungsorientierter
Entwicklung von Methoden und rechnergestiitzten Verfahren der Informatik,
- Entwicklung neuer Grundlagen, Methoden und Werkzeuge durch die Informatik, urn den
wachsenden, heute bei weitem noch nicht erfiillbaren Anspriichen der Biologie besser
gerecht zu werden (z.B. in der Molekulargenetik) und
- Intensivierung der innovativen Wechselwirkung beider Gebiete.
Unter dieser Zielsetzung fand die erste Fachtagung in Bonn statt. Die Fachtagung diente der
Vorstellung eines Gebietes, das wir mit dem Begriff "Bioinformatik" belegen m6chten. Zu
dem Gebiet der "Bioinformatik" ziihlen zum einen Beitriige, die den Einsatz der Methoden
der Informatik zur Rechnerunterstiitzung im Bereich der Biowissenschaften umfassen. Hier
sind vor aHem die rechnergestiitzte Analyse sowie der Entwurf von Biomolekiilen oder auch
biotechnologischen Prozessen zu nennen. AuBerdem zahlt die Modellierung und Simulation
von biologischen Systemen zu diesem Gebiet. Auf der anderen Seite gehOren der
"Bioinformatik" Untersuchungen an, die auf der Basis von Erkenntnissen iiber die
Informationsverarbeitung in biologischen Systemen neuartige algorithmische,
rec~nerarchitektonische oder allgemein informationstechnische Konzepte fUr eine technische
Realisierung entwickeln. In diesen Bereich gehoren auch Forschungen iiber neuronale Netze,
genetische Algorithmen oder allgemeine parallele Informationsverarbeitung, die der Biologie
abgeschaut werden.
VI
Die Tagung war zweitligig und setzte sich aus eingeladenen Hauptvortriigen sowie Beitriigen
zusammen, die von einem Programmkomitee aus einer Menge von 41 eingereichten
Beitriigen ausgewlihlt wurden. Dem Programmkomitee gehOrten Prof. Dr. W. Ebeling
(Humboldt Universitlit Berlin), Dr. R. Hofestlidt (Universitlit Koblenz-Landau), Prof. Dr.
F. KrUckeberg, Prof. Dr. T. Lengauer (beide GMD, Sankt Augustin / Universitlit Bonn),
Prof. Dr. H.P. Muller (Universitlit Bonn), Dr. J. Selbig (GMD, Sankt Augustin), Prof. Dr.
B. Schurmann, Prof. Dr. D. Schutt (beide ZFE, Siemens AG, Munchen), Dr. K. Stiiber
(MPI flir Zuchtungsforschung Koln) und Prof. Dr. G. Veenker (Universitlit Bonn) an.
Zu den Hauptvortriigen wurden sieben Gaste eingeladen, die neben den Schwerpunktgebieten
der Bioinformatik auch Randgebiete vorstellten. Dr. W. Stoffler (BMFT, Bonn) prasentierte
einen Strategievortrag zur Molekularen Bioinformatik. Die Molekulare Bioinformatik, die in
den Jahren von 1993-1997 durch ein Strategiekonzept des BMFT gefordert wird, wurde
durch die Vortriige von Prof. Dr. D. Schomburg (GBF, Braunschweig) und Dr. C. Sander
(EMBL, Heidelberg) vorgestellt. Andere interessante Aspekte der Bioinformatik wurden in
den Vortriigen von Prof. Dr. H. Bossel (Umweltinformatik - GH Kassel) und Dr. K.
Adlassnig (Medizinische Informatik -Universiat Wien) prasentiert. Aufierdem hielten Dr. N.
Hampp (Universitlit Munchen) und Prof. Dr. W. Ebeling (Humboldt Universitlit Berlin) je
einen Vortrag zum Thema 'Biologische Paradigmen in der Informatik'.
An dieser Stelle mOchten wir uns bei allen bedanken, die zum Gelingen der Fachtagung
beigetragen haben. Hier ist, neben dem Programmkomitee und den Gutachtem, Frau Mariele
Knepper und dem Institut fur Informatik I (Universitlit Bonn) ein besonderer Dank fur die
Organisation der Tagung zu entrichten.
Bonn, im Februar 1993 R. Hofestlidt
F. KrUckeberg
T. Lengauer
INHALTSVERZEICHNIS
1. Gastvortriige
W. Stoffler (BMFT Bonn)
Bioinformatik -ein Beitrag zu der Technologie des 21. Iahrhunderts
D. Schomburg (GBF Braunschweig)
Computer Aided Protein Design: Methods and Applications 11
C. Sander (EMBL Heidelberg)
The prediction and design of protein structures 21
H. Bossel (Gesamthochschule Kassel)
Modellbildung, Simulation und Umweltsystemanalyse:
Beispiel Waldwachstum ............................................................ 23
K.-P. Adlassnig (Universitlit Wien)
Wissensbasierte Entscheidungsuntersttitzung in der Medizin................... 31
N. Hampp, C. Brauchle (Universitlit Mtinchen),
D. Oesterhelt (MPI Martinsried)
Gentechnologisch modifizierte Bakteriorhodopsine als neue
Materialien ftir die optische Informationsverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
W. Ebeling (Humboldt Universitlit Berlin)
Chaos, Entropie und Sequenzanalyse ............................................ 51
2. Molekulare Bioinfonnatik
P. Bork (EMBL Heidelberg)
Entschltisselung von Proteinfunktionen mit Hilfe des Computers:
Erkennung und Interpretation entfemter Sequenziihnlichkeiten ............. 67
K.-E. Grofipietsch (GMD Sankt Augustin)
Ein assoziatives System zur Unterstiitzung der DNS-Sequenzanalyse 79
I. Muegge (FU Berlin), A. Irgens-Defregger (Physik Dept. Garching),
E.W. Knapp (FU Berlin)
Model Calculations of Protein-Water Systems and of
Long Time Dynamics of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
I.M. Kohler, K.-D. Weller, R.-D. Recknagel (Universitlit lena)
Verwandtschaftsbeziehungen in E. Coli Promotorsequenzen
dargestellt durch Dubletthaufigkeiten ............................................ 101
VIII
3. Biologische Paradigmen in der Informatik
J. Sprave (Universitat Dortmund)
Zellullire evolutionlire Algorithmen zur Parameteroptimierung 111
W. Schiffmann (Universitat Koblenz)
Evolutionlires Design von neuronalen Netzen 121
K. Moller (Universitat Bonn)
Das Lemen von mehrdeutigen Abbildungen mit fehlergesteuerter
Zerlegung ............................................................................ 133
4. Modellierung biotechnologischer Prozesse
B. Goldschmidt, B. Mathiszik (Universitat Halle/Saale)
Globale Proze6modelle in der Bioproze6technik .............................. 145
W. Wiechert, R. Wittig, T. Honer, M. Mollney, C. Hausmann (KFA Jiilich)
Probleme der Software-Entwicklung fur die Steuerung und
Auswertung biologischer Experimente .......................................... 157
K.D. Bettenhausen (TU Darmstadt)
BioX++ - Erweiterte lemende Regelung biotechnologischer Prozesse 169
5. Modellierung und Simulation
A. Deutsch (Universitat Bonn)
Zellullire Automaten als Modelle von Musterbildungsprozessen in
biologischen Systemen ............................................................. 181
P. Hamilton (Universitat Bonn)
Zum Stand der fraktalen Nervenzellsimulation 193
O. Wendel (Universitat Kaiserslautem)
MOBIS -ein wissensbasiertes Experimentiersystem zur Simulation
biologisch orientierter neuronaler Netze ... .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. ....... .. . .. .. . 203
Bioinformatik
- ein Beitrag zu der Technologie des 21. Jahrhunderts
Dr. Wolfgang Stoffler
Regierungsdirektor
Bundesministerium fur Forschung und Technologie
Referat 41 1 "Grundsatzfragen der Informationstechnik"
2
Die technologischen Herausforderungen der 90er Jahre
In der vor uns liegenden Dekade wird sich das Entwicklungstempo in Wissen
schaft und Technik weiter beschleunigen. Moderne Technologien mit Quer
schnittswirkungen in die verschiedensten wissenschaftlichen und wirtschaftli
chen Bereiche hinein, wie z. B. die Informations- und Biotechnologie, werden
weiter an Bedeutung gewinnen. Diese sogenannten "Schlusseltechnologien"
werden erhebliche Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen erforderlich
machen, um die ihnen innewohnenden Anwendungsmoglichkeiten und Implika
tionen zu nutzen.
Die Internationalisierung der Wirtschaft wird in den kommenden Jahren weiter
zunehmen. Der Ausbau und die Vollendung des europaischen Binnenmarktes
mit rd. 350 Millionen Einwohnern bietet Chancen fur zusatzliches Wachstum.
Durch freien Waren- und Dienstleistungsverkehr, Niederlassungsfreiheit, Libera
lisierung des Kapitalverkehrs und des offentlichen Auftragswesens entstehen
Absatzmoglichkeiten fUr neue Produkte und Verfahren.
Gleichzeitig mussen fUr die drangenden okologischen Fragen in den nachsten
Jahren neue technologische Antworten gesucht und gefunden werden. Dabei
muB das Innovationspotential der Forschung in Wissenschaft und Industrie
noch starker als bisher fur Produktionsverfahren, die Umweltschaden vermei
den, fUr umweltfreundlichere Produkte und umweltschonende Energietrager
eingesetzt werden.
Das hohe Tempo des technischen Fortschritts bedingt weiterhin die Notwen
digkeit einer steten Qualifikationsanpassung in allen Bereichen des staatlichen,
wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Lebens. Bis zum Jahr 2000 werden
mindestens 60 % der Arbeitsplatze von dem durch die neuen Technologien be
dingten Strukturwandel tangiert werden. Berufliche Weiterbildung wird von da
her eine wachsende Aufgabe fUr Staat, Wissenschaft und Wirtschaft werden.
Technologie fur das 21. Jahrhundert
In zahlreichen internationalen Studien werden derzeit die vermuteten
"Schlusseltechnologien" der Zukunft untersucht. Seit rd. zwei Jahren arbeitet
3
der BMFT diese Studien systematisch aus. Was konnen wir daraus lernen?
Welche Chancen fUr die Industriegesellschaft im 21. Jahrhundert liegen in der
rasch zunehmenden Integration von Physik, Chemie und Biologie? Was folgt
aus den neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen uber die molekularen Bau
steine und Funktionsweisen der Natur?
Eine Bewertung der vorliegenden Studien und Empfehlungen zu Fragen einer
dauerhaften, okonomischen und okologisch tragfahigen Entwicklung laBt dabei
generell zwei Ziele erkennen:
- Wachstum aus Intelligenz
(Das Leitbild einer Entkopplung von Wirtschaftswachsum und
Ressourcenverbrauch)
und
- Wirtschaften in Kreislaufen
(Vermeidung von Abfallen jeder Art).
Ausgehend von diesen Oberlegungen, hat der BMFT unter dem Stichwort
"Technologie des 21. JahrhundertsR eine Langfristplanung angelegt. Sie umfaP..t
sowohl einen "bottom-up-Ansatz", der nach zukunftsweisenden technischen
Entwicklungslinien fragt und attraktive Felder kunftiger Spitzenforschung und
Hochtechnologie ermitteln soli, als auch einen "top-down-Ansatz", bei dem
ausgehend von erkennbaren gesellschaftlichen Trends Anforderungen an neue
Technologien abgeleitet werden. 1m einzelnen gehoren dazu folgende Aktivita
ten:
Die im Auftrag des BMFT vergebene und noch laufende Studie zur
"Technologie am Beginn des 21. Jahrhunderts". Diese Studie soli eine um
fassende Vorausschau auf die mutmaP..liche Entwicklung von Technologien
unter Berucksichtigung ihrer gegenseitigen Vernetzungen ermoglichen.
Gleichzeitig sollen die jeweiligen Beitrage zur Losung gesellschaftlicher, sozi
aler, okologischer und wirtschaftlicher Probleme herausgearbeitet werden.
Die Untersuchung wird vom Fraunhofer-Institut fUr Systemtechnik und Inno
vationsforschung (lSI), Karlsruhe, in enger Zusammenarbeit mit sieben
BMFT-Projekttragern durchgefUhrt.