Die DNA aus der Codierungsperspektive

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Henkel; Dr. Patrick Sobetzko
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328529227

Das Bild der DNA hat sich im letzten Jahrzehnt von einem rein digitalen zur einem digitalen Informationsträger mit analogen Eigenschaften gewandelt. Die analogen Eigenschaften rühren von den physischen Eigenschaften des DNA-Polymers her. Die vier Basen codieren nicht nur in einer bestimmten Reihenfolge für ein Protein, sondern verleihen dem Polymer physikalische Eigenschaften, wie thermodynamische Stabilität oder spezifische 3D Konformationen. Diese physikalischen Eigenschaften sind elementar für die Regulation von Genexpression. Die duale Codierung von Proteinen und die DNA Struktur sind größtenteils unabhängig voneinander, da die Protein- als auch die DNA-Strukturcodierung redundant ist. Im vorangegangenen Projekt konnten wir zeigen, dass Gene strategisch auf dem bakteriellen Chromosom verteilt sind, um DNA-Eigenschaften verschiedener chromosomaler Regionen zu nutzen und damit ihre zeitliche Genexpression auszudifferenzieren. Weiterhin konnten wir erste Aspekte untersuchen, die einen ungleichen Fehlerschutz erlauben. Diesen ungleichen Fehlerschutz möchten wir nun zu der zentralen Fragestellung unserer Arbeiten machen, wobei nach wie vor die Beziehungen zwischen analoger und digitaler Information wichtig sind, da auch essentiell für die betrachteten Codeaspekte. Wichtig sind uns allerdings besonders die verschiedenen Ebenen des ungleichen Fehlerschutzes, beginnend mit der Zuordnung von Aminosäuren zu Codons, den Bindungen (Gedächtnis) antlang der DNA-Stränge, modelliert durch Markov-Modelle oder Context Trees, bis hin zu regulatorischen Netzwerken, interpretiert durch Codegraphen. Wir können dabei von unseren Erfahrungen bzgl. der Codierung mit unterschiedlichem Fehlerschutz und den grundlegenden Erkenntnisses zu analogen und digitalen Eigenschaften der DNA profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen