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Proteomforschung: Einführung

Die Analyse von Elektrophorese-Gelen

Die Analyse der Elektrophorese-Gele besteht in der Identifikation einzelner Spot-Strukturen gegen den Bildhintergrund sowie deren quantitative Auswertung. Die Gelproben werden hierzu zunächst mithilfe eines Scanners als digitale Graustufen-Bilder aufgenommen. Die eigentliche Analyse erfolgt am Computer, erfordert bislang jedoch ein hohes Maß an Interaktion. Dieser Zeit raubende Arbeitsschritt scheint mittelfristig nicht tolerabel zu sein, vor allem im Blick auf den stetig wachsenden Datenbestand und die Notwendigkeit einer objektiven und schnellen Analyse. Ein zentrales Element zur Behebung dieses Engpasses stellt ein automatisches System zur Spot-Erkennung und Analyse dar. Die Anforderungen an ein automatisiertes Verfahren sind hoch. Während der Mensch äußerst komplexe Filterverfahren anwendet und gleichzeitig lokale und globale Muster-, Intensitäts- und Kontrast-Analysen durchführt und bewertet, "sieht" die Maschine zunächst einmal lediglich eine Matrix aus Graustufenwerten zwischen 0 und 255.

Die Registrierung von Bildern

Die Ausrichtung unterschiedlicher Bilder an einem einheitlichen Koordinatensystem bezeichnet man als Registrierung. Ein automatisiertes Verfahren muss in jedem Fall eine intelligente Anpassung unterschiedlicher Positionen und Formen identischer Proteinfragmente leisten. Um zusammengehörige Spots möglichst zur Deckung zu bringen, ist es den Spots erlaubt, innerhalb gewisser Grenzen von ihrer eigentlichen Position verschoben zu werden (warping). Dieser Prozess gehorcht zwei einfachen Prinzipien: (a) Je weiter die Verschiebung, desto unwahrscheinlicher der Vorgang und (b) die Verschiebungen in benachbarten Regionen des Bildes sollten keine abrupten Änderungen in der Richtung oder Weite der jeweiligen Verschiebungen aufweisen. Einige Randbedingungen erschweren die Registrierung. So ist die typische Spot-Größe mitunter klein im Vergleich zu den beobachteten Verschiebungen. Manche Proteine sind nur auf einigen Gelen sichtbar, das heißt, sie fehlen auf anderen Bildern. Ein nicht triviales Problem sind die für 2D-Gel-Elektrophorese typischen Streifenstrukturen, welche relevante Proteinstrukturen verdecken können.

Ablauf einer automatischen Bildauswertung

Prinzipiell gibt es zwei Ansätze für eine automatisierte Auswertung mehrerer Bilder. Entweder werden die Bilder zunächst aufeinander registriert und anschließend segmentiert, oder alle Bilder werden zunächst segmentiert und danach mithilfe eines heuristischen Verfahrens aufeinander angepasst. Die meisten Methoden basieren auf dem zweiten Verfahren, das heißt Segmentierung vor Registrierung. Bei der Registrierung hilft ein statistisches Verfahren, das die Vektorfelder der jeweiligen Bilder liefert. Man benötigt sie, um die Rohdaten gemeinsam zu segmentieren. Dies ermöglicht die Verwendung eines Markov-Random-Field-Algorithmus (MRF). Mit zunehmender Bilderzahl wird das Verfahren weniger empfindlich gegenüber Rauschstrukturen.

Integration der Proteinanalyse in Datenbanken

Ein entscheidender Schritt ist die Integration in Web-basierte Datenbanken. Erst durch eine intelligente Darstellung und den Bezug zu Hintergrundmodellen werden aus den extrahierten Daten relevante Informationen für den Benutzer. Das System dient jedoch nicht allein der Archivierung von Proteomkarten eines Organismus. Der typische Anwender wird seine eigenen Bilder online mit entsprechenden Datenbankeinträgen visuell vergleichen und analysieren können. Diese Analysen sollen umgekehrt Ideen für neue Experimente liefern, aus denen sich geeignete metabolische oder energetische Modelle formulieren lassen.

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