Next-generation environmental biotransformation pathway prediction system - NGE-PPS

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Kramer
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245507054

Eine genaue Vorhersage von Raten und Produkten des mikrobiellen Abbaus für eine breite Auswahl von chemischen Verbindungen in der Umwelt ist wichtig für die Risikobewertung dieser Chemikalien, kann aber auch bei der Entwicklung grüner Alternativsubstanzen hilfreich sein. Existierende Vorhersagemethoden können diesen Bedarf z.Z. jedoch nicht decken. Dies liegt daran, daß sie nicht auf umweltrelevanten Daten trainiert wurden. Zudem besitzen die gelernten Modelle nicht den notwendigen mechanistischen Unterbau, wodurch eine konsistente Vorhersage von Biotransformationspfaden und biologischer Abbaubarkeit nicht möglich ist. Ziel dieses Projektes ist es, die nächste Generation eines Computer-basierten Systems für die korrekte Vorhersage von mikrobiellen Biotransformationraten und Pfaden unter umweltrelevanten Konditionen zu entwickeln. Im Projekt werden daher zwei zielführende Hypothesen getestet: Als erstes soll das Erstellen und Verwenden von Verknüpfungen zwischen bestehenden biotransformatorischen Regeln für chemische Substanzen oder Enzymklassen ermöglichen, die Substratspezifität von existierenden biotransformatorischen Regeln durch die systematische Analyse funktionaler Enzymdaten zu verfeinern. Eine solche Verknüpfung bietet zudem die technische und theoretische Basis, um, durch das Einbeziehen von Genexpressionsdaten und Daten aus der Hochdurchsatzsequenzierung, Vorhersagen für Biotransformation in spezifischen mikrobiellen Gemeinschaften zu erhalten. Zweitens sollen, um enzymkatalysierte Reaktionen als mechanistische Basis für die Vorhersage von Biotransformation zu etablieren, neuartige Vorhersagesysteme entwickelt werden, welche Biotransformationsraten und Pfadvorhersagen in einem einheitlichen Modellierungsrahmen zusammenführen und erlauben, den Einfluss von Umwelteinflüssen zu berücksichtigen. Um an diesen Hypothesen zu arbeiten, werden innerhalb des Projektes zusätzlich zwei technische Ressourcen entwickelt. Zum einen werden die Datenbank und Architektur einer existierenden öffentlichen Biotransformationsdatenbank für Xenobiotika und eines Vorhersagesystems (UM-BBD/PPS) so erneuert, daß diese flexibel und interaktiv mit anderen Ressourcen kommunizieren können. Zum anderen wird das Projekt verfügbare Biotransformationspfade und -raten aus relevanten Systemen, d.h. landwirtschaftlichen Böden und Belebtschlamm, annotieren und veröffentlichen. Diese Daten bilden auch die Basis für die Entwicklung und Validierung der neuen Vorhersagesysteme. Das Projekt hängt stark von der intensiven Zusammenarbeit zwischen den Wissenschaftlern aus der Umweltchemie, der Biochemie und der Chemieinformatik und der Softwareentwicklung ab. Es zielt darauf ab, den verschiedenen Akteuren, wie Wissenschaftlern, der chemischen Industrie und auch den Regulierungsbehörden, ein transparentes und benutzerfreundliches System zur Hand zu geben, das eine wissenschaftlich fundierte und kosteneffektive Bewertung von chemischen Risiken in der modernen Gesellschaft ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Beteiligte Person: Professorin Kathrin Fenner, Ph.D.