Edda Klipp: Mathematik der Bäckerhefe

Edda Klipp war 2006 bis 2008 Leiterin der Arbeitsgruppe „Computational Systems Biology“ am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin.

Quelle: Science & Media

Die unscheinbare Bäckerhefe ist in der Forschung sehr beliebt: Vielen Wissenschaftlern dient sie als Modell für höhere Zellen, auch für die des Menschen. Die typischen Kulturgefäße mit den bräunlichen Hefesuspensionen gibt es bei der Hefe-Forscherin Dr. Edda Klipp nicht. Schon als Gruppenleiterin der Ausbildungs- und Technologieinitiative Bioinformatik untersuchte sie die Pilze mithilfe der Mathematik.

„Studier doch Jura“, hatte ihre Mutter damals gesagt. Doch Edda Klipp, gerade 18 Jahre alt geworden, wollte etwas Naturwissenschaftliches machen, etwas, das ihrer Liebe zur Mathematik entsprach und doch nicht abstrakt bleiben sollte.

Sie jobbte, lackierte Spielzeugeisenbahnen, bevor sie fand, was sie suchte: die Biophysik. Nach ihrem Biologie-Studium und der Promotion an der Humboldt-Universität in Berlin folgten Forschungsarbeiten an der Charité. Im Jahr 2006 wurde Klipp Leiterin der international agierenden Arbeitsgruppe „Computational Systems Biology“ am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin. Zwei Jahre später, 2008, kehrt sie schließlich an ihre Alma Mater zurück. Als Professorin für Theoretische Physik beschreibt sie biologische Prozesse mit mathematischen Methoden. Aus der Biophysikerin wird eine Systembiologin. Ihr Labor ist ein Computer, ihre Versuchsobjekte sind Differenzialgleichungen. Die Biowissenschaften zum Ende des 20. Jahrhunderts: Fortschreitende Technik lässt Forscher immer tiefer in biologische Systeme vordringen. Ungeheure Datenmengen füllen die Festplatten biowissenschaftlicher Labors. Doch je mehr Details sichtbar werden, desto mehr verlieren die Wissenschaftler den Blick aufs Ganze. So hat die Entschlüsselung des menschlichen Genoms im Jahr 2001 zwar wertvolle Daten geliefert, doch wirklich nutzen kann sie nur der, der versteht, welche Bedeutung die einzelnen Komponenten im Organismus haben. Einen großen Teil dieser analytischen Arbeit übernehmen die Bioinformatiker. Wer wissen will, wie alles zusammenhängt, fragt Systembiologen wie Klipp.

Eine Berliner Karriere

Die Systembiologie ist ein ständiger Dialog zwischen Experimentatoren und Theoretikern und unterscheidet sich von der Bioinformatik vor allem dadurch, dass sie versucht Fragen zu beantworten, um wieder neue Fragen zu formulieren. „Als Systembiologin will ich nicht nur analysieren, sondern die Wechselwirkungen und Organisationsprinzipien eines Systems verstehen“, sagt Klipp. Als Gastprofessorin an der Humboldt-Universität zu Berlin unterrichtet sie daher Studenten der Biophysik und Bioinformatik in der Kunst, mithilfe mathematischer Gleichungen zu verstehen, wie die ungeheuer vielen biologischen Vorgänge im Organismus zusammenspielen. Bereits während ihrer Ausbildung zur Biophysikerin an der Humboldt-Universität zu Berlin konzentrierte sich die gebürtige Rüganerin auf die theoretische Physik und promovierte schließlich über die Vorhersage optimaler Bedingungen für biochemische Reaktionen. Sie blieb ihrem Institut treu, bis sie 2001 die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der „Ausbildungs- und Technologieinitiative Bioinformatik“ finanzierte Stelle als Leiterin der Nachwuchsgruppe „Kinetic Modelling“ am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin-Dahlem übernahm.

Der Zeit voraus

Beruflich wie privat bedeutete diese Stelle für Klipp eine große Chance. Sie wusste, dass sie sich von ihrer bisherigen Arbeitsgruppe abnabeln musste, wenn sie sich wissenschaftlich weiterentwickeln wollte. Doch ein Auslandsaufenthalt wäre schwierig geworden. „Ich wollte meinen damals zehnjährigen Söhnen den Ortswechsel nicht zumuten.“ Am Max-Planck-Institut konnte sie ihre systembiologischen Arbeiten mit einer eigenen Gruppe von Nachwuchswissenschaftlern weiterentwickeln und trotzdem in Berlin bleiben. Für die junge Mutter war das ideal. Geplant war, ein Computermodell der Trisomie 21 aufzustellen. Die genetischen Grundlagen der Krankheit, bei der das Chromosom 21 dreimal vorhanden ist, wurden in den Jahren zuvor im Rahmen des Humangenomprojekts am MPI für Molekulargenetik in Berlin gelegt. Nun sollte das theoretische Modell folgen, um medizinische Vorhersagen zu ermöglichen. So wollte man beispielsweise modellieren, welche Auswirkungen es auf den Gesamtstoffwechsel einer Zelle haben kann, wenn dreifach vorhandene Gene auf dem Chromosom 21 eine größere Menge an Proteinen herstellen. Aufbauend auf dem Humangenomprojekt am MPI für Molekulargenetik in Berlin zeigten die ersten Schritte der neuen Arbeitsgruppe, dass die Trisomie-Daten nicht ausreichten, um ein zufriedenstellendes Modell zu entwickeln. Klipp: „Die Zeit war damals dafür einfach noch nicht reif.“

Vorteil Systembiologie: Alkohol spielt im Rechner keine Rolle 

Es kam die Bäckerhefe – ihr „Liebling“, wie sie lächelnd sagt. Bäckern, Bierbrauern und Biotechnologen seit langer Zeit bestens vertraut, gehört die Hefe Saccharomyces cerevisiae zu den Top 10 der biologischen Modellorganismen. Ihr Genom ist seit 1996 entschlüsselt, die Rolle vieler Gene seit 2001 bekannt. Selbst der Nobelpreis für Medizin ging 2001 an Hefeforscher. Entsprechend umfangreich sind die vorhandenen Versuchsdaten und, was für Klipp und ihre zehnköpfige Arbeitsgruppe noch wichtiger ist: Die Saccharomyces-Forscher haben die Bedeutung der Systembiologie für ihre eigenen Arbeiten erkannt. „Experimentelle Biologen können nicht endlos Versuche machen, beispielsweise mit nur minimal veränderten Bedingungen. „Das kostet zuviel Zeit und Geld“, erklärt Klipp. Simulationen mit mathematischen Modellen dagegen lassen sich in beliebiger Zahl variieren. Und störende Einflüsse durch Stoffwechselprodukte wie den Alkohol, der mit steigender Menge das Hefewachstum hemmt, spielen im Rechner keine Rolle. Vorteile, die viele Experimentalbiologen inzwischen zu schätzen wissen.

Mathematische Modelle aber bilden stets nur einen bestimmten Ausschnitt der Wirklichkeit ab. „Jede neue Frage, führt zu einem neuen Modell“, sagt Klipp „Man kann zu den gleichen biologischen Sachverhalten völlig unterschiedliche Modelle machen“. Die Abbildung aller Stoffwechselprozesse in einer „virtuellen Zelle“, wie sie vielen Kollegen vorschwebt, hält die 42-Jährige schon deshalb nicht für realistisch. „Selbst die virtuelle Zelle wird ein Experiment an der echten Zelle kaum ersetzen können.“ Die enge Verzahnung von Theorie und Experiment ist nach Meinung von Klipp das A und O der Systembiologie. Vielleicht ist das ein Grund, weshalb Hefeforscher aus der ganzen Welt Klipp heute um Mitwirkung bitten – sie will das Experiment nicht ersetzen, sondern ergänzen, neue Fragen aufwerfen. „Unsere Vorhersagen aus dem theoretischen Modell bringen die Experimentatoren auf neue Ideen. Und die Ergebnisse aus dem Labor verändern wiederum unsere Modelle – das ist ein ständiges Geben und Nehmen.“

 
Dieser Text wurde aus der Broschüre „Wege in die Biotechnologie – 25 Jahre Nachwuchsförderung“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung entnommen. Sie kann kostenfrei über den Bestellservice bezogen werden.