Bioinformatik

Daten entschlüsseln für eine nachhaltige Zukunft

Die Erforschung von Genomen sowie die Identifizierung neuer Gene und Enzyme sind wesentliche Aufgaben der Bioökonomie. Jülicher Bioinformatiker:innen verfügen über Expertise im Einsatz fortschrittlicher Bioinformatik und KI, um große und komplexe Daten in umfassendes Wissen für eine nachhaltige Zukunft zu transformieren.

Unsere neuen KI-Verfahren erweitern die Möglichkeiten, „intelligente Nutzpflanzen“ mit verbesserter Qualität und geringeren negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu züchten.
Dr. Jedrzej Jakub Szymanski, Institut für Bio- und Geowissenschaften IBG-4: Bioinformatik

Analyse und Optimierung biologischer Systeme für die Bioökonomie

Pflanzen sind eine zentrale Quelle für Biomasse, pharmazeutische Wirkstoffe sowie Nahrungs- und Futtermittel, während Mikroorganismen diese Biomasse in wertvolle Produkte umwandeln. Um diese biologischen Prozesse gezielt nutzbar zu machen, ist ein tiefgehendes Verständnis von Genomen, Stoffwechselwegen und mikrobiellen Gemeinschaften erforderlich.

Die Bioinformatik spielt hierbei eine zentrale Rolle. Sie ermöglicht die Analyse großer und komplexer Datensätze, um genetische Informationen auszuwerten, Stoffwechselprozesse zu modellieren und biologische Systeme zu optimieren. Die Untersuchung von Pflanzengenomen und Genfunktionen unterstützt die Züchtung klimaresistenter und ertragreicher Pflanzen. Gleichzeitig ermöglicht die Analyse der Biodiversität von Mikrobiomen und Biosynthesewegen in Mikroben und Pflanzen die gezielte Auswahl optimierter Stämme und Enzyme für die nachhaltige Produktion biobasierter Metabolite mit industriellen und pharmazeutischen Anwendungen.

800

Millionen Strukturmodelle von Proteinen sind verfügbar zur Analyse mit Methoden der molekularen Bioinformatik.

1.000

Pflanzengenome wurden am IBG-4 bisher ungefähr sequenziert, mit jeweils circa 1 bis 13 Milliarden DNA-Basenpaaren pro Genom, die die Programmierung und den Aufbau von Pflanzen bestimmen.

1

Billion und mehr Arten von Mikroorganismen gibt es auf der Erde, von denen nur etwa 20.000 kultiviert wurden und 10 Millionen katalogisiert sind. Metagenomanalysen und deren bioinformatische Auswertung erlauben eine Annäherung an diese Vielfalt.

Forschungsschwerpunkte am Forschungszentrum Jülich

Analyse von Pflanzengenomen und Metagenomische Studien

Entwicklung von Algorithmen zur Untersuchung großer Mikrobiome, Pflanzengenome und Pan-Genome
Identifikation von Genen für die Züchtung resistenter und ertragreicher Pflanzen
Unterstützung bei der Identifikation von Enzymen und bioaktiven Wirkstoffen für industrielle Anwendungen
Analyse mikrobieller Gemeinschaften zur Bestimmung von Funktionen und Wechselwirkungen

Modellierung und Simulation biomolekularer Interaktionen

Nutzung struktureller Enzyminformationen zur Vorhersage und Optimierung von Aktivität, Substratspezifität und Stabilität
Entwicklung von Algorithmen zur Analyse metabolischer Flüsse und zur Optimierung biosynthetischer Stoffwechselwege

Optimierung von Bioprozessen

Programmierung digitaler Zwillinge zur Simulation biologischer Systeme unter veränderten Bedingungen

Modellierung komplexer biologischer Systeme

Erstellung von Rechenmodellen zur Simulation von Bodenökosystemen und Wurzel-Boden-Interaktionen

Datenmanagement und bioinformatische Infrastruktur

Verwaltung großer biologischer Datensätze durch Verknüpfung und Bereitstellung in strukturierten Datenbanken

Computing und KI-gestützte Bioinformatik

Entwicklung skalierbarer Cloud-Umgebungen für biologische Datenanalysen
Implementierung von Algorithmen zur Metagenomanalyse
Aufbau KI-basierter Modelle zur Vorhersage von Enzymfunktionen
KI zur Entschlüsselung neuer Genregulationscodes in Pflanzen

Nachhaltige Landwirtschaft: Datengetriebene Lösungen

Jülicher Forschende nutzen Bioinformatik, um Pflanzengenome zu analysieren, das Landmanagement zu optimieren und widerstandsfähige Nutzpflanzen zu entwickeln.

Bioinformatik in der Bioprozessoptimierung

MetaProcess entwickelt stabile, effiziente und wirtschaftlich nachhaltige biokatalytische Prozesse zur umweltfreundlichen Herstellung chiraler Aminoalkohole wie Metaraminol aus nachwachsenden Rohstoffen.

KI-Verfahren zur Verbesserung von Nutzpflanzen

Die Nutzung künstlicher Intelligenz ermöglicht es zu verstehen, wie die Ausprägung der Genome reguliert wird und so zu verstehen, wie nützliche Merkmale von Nutzpflanzen kodiert sind.

Design und Entdeckung neuer Enzyme für Biotechnologie

Jülicher Forschende entwickeln mithilfe der Bioinformatik innovative Ansätze, um neue, für die Bioökonomie relevante Enzyme zu identifizieren und zu designen.

Software zur Vorhersage von Enzymfunktionen

Die Supercomputing-Infrastruktur in Jülich ermöglicht komplexe bioinformatische Analysen. Ein Beispiel ist die Entwicklung von TopEC, einer Software zur Vorhersage von Enzymfunktionen mithilfe von Graph-Neural-Networks.

Bioökonomisches Potenzial des Mikrobioms entschlüsseln

Das Projekt "Bluetools" will Mikrobiome für gesündere Ozeane und die blaue Bioökonomie nutzen und hat dazu innovative Tools zur effizienten und nachhaltigen Erforschung und Nutzung entwickelt.

Zukunftsperspektiven der Bioinformatik für die Bioökonomie

Die Bioinformatik am Forschungszentrum Jülich trägt entscheidend dazu bei, biologische Systeme besser zu verstehen und gezielt für nachhaltige Anwendungen nutzbar zu machen. Durch die Entwicklung innovativer Algorithmen, Modelle und Datenbanken werden zentrale Herausforderungen der Bioökonomie adressiert – von der klimaangepassten Pflanzenzüchtung über die Optimierung mikrobieller Produktionsprozesse bis hin zur Digitalisierung biologischer Systeme.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung bioinformatischer Methoden werden neue Wege erschlossen, um biobasierte Wertschöpfungsketten effizienter und ressourcenschonender zu gestalten. Die enge Verzahnung von Biologie, Informatik und Datenwissenschaft ermöglicht es, biologische Prozesse gezielt zu steuern und nachhaltige Lösungen für industrielle und pharmazeutische Anwendungen zu entwickeln. Damit leistet die Bioinformatik einen wichtigen Beitrag zur Transformation hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft.

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