Bioinformatik: Evolution im Computer

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät verleiht 124 Doktortitel und prämiert beste Dissertation des Jahres 2014

06.02.2015 – Kann man die Evolution vorhersagen? Der Bioinformatiker Dr. David Heckmann entwickelte in seiner Doktorarbeit an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) Computermodelle, die sich speziell mit der Evolution der Pflanzen-Photosynthese befassen. Seine Forschungsarbeit zeichnete die Universität auf der Promotionsfeier der Mathematisch-Naturwissenschaft­lichen Fakultät als beste Dissertation des Jahres 2014 aus.

Über die Photosynthese produzieren Pflanzen aus Licht, Wasser und Kohlendioxid den Nährstoff Zucker sowie Sauerstoff. Man kennt in der Pflanzenwelt zwei Formen der Photosynthese, die C3- und die deutlich effizientere C4-Variante. Die C4-Photosynthese hat sich bei einigen Pflanzen wie dem Mais im Laufe der Evolution in den letzten 30 Millionen Jahren entwickelt.

Ein möglicher Weg, den Ertrag anderer wichtiger Nutzpflanzen wie Reis zu steigern, wäre es, ihnen die C4-Photosynthese „beizubringen“ bzw. ihre Evolution so zu beeinflussen, dass sie – wie der Mais – die Fähigkeit zur C4-Synthese ausbilden. Nun benötigen typische Evolutionszyklen sehr lange Zeiträume, denn sie laufen über zufällige Mutationsschritte, die sich manchmal als vorteilhaft, in den meisten Fällen aber zum Nachteil für die Pflanzen herausstellen.

Diese Themen berühren wichtige Forschungsschwerpunkte an der HHU. Zum einen die Entwicklung effizienterer, ertragsreicherer und widerstandsfähigerer Nutzpflanzen im Rahmen des Exzellenzclusters CEPLAS, zum anderen die Reaktion von Pflanzen auf wechselnde Umwelteinflüsse, auf die sich die Graduiertenschule iGRAD-Plant konzentriert.

Dr. David Heckmann hat in seiner Promotionsarbeit im Rahmen von iGRAD-Plant am Lehrstuhl für Bioinformatik bei Prof. Dr. Martin Lercher an der HHU Computermodelle des C3- und des C4-Stoffwechsels benutzt. Er simulierte, wie die effizienteren C4-Pflanzen entstanden sein können. Im Computermodell kann dabei sehr schnell getestet werden, wie sich kleine Veränderung – die durch Mutationen entstanden sein könnten – auf den Stoffwechselvorgang auswirken und ob diese in Richtung der C4-Synthese weisen. Die Modellvorhersagen werden von Labormessungen an solchen Pflanzen bestätigt, die als Zwischenstufen hin zu C4-Pflanzen gelten.

Die Forschungsergebnisse von Dr. David Heckmann können Auswirkungen auf die konkrete Pflanzenzüchtungsforschung haben. Sie können Wege aufzeigen, wie C3-Pflanzen wie Reis – eine der weltweit wichtigsten Nahrungspflanzen – gezielt in die effizientere C4-Form weiterentwickelt werden können, indem etwa besondere entwicklungsförderliche Umweltfaktoren eingestellt werden. Für seine Arbeit erhielt er die Auszeichnung „Beste Dissertation in der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät 2014“.

124 Promotionen seit September 2014

Am 6. Februar 2015 erhielten 69 Nachwuchswissenschaftlerinnen und 55 Nachwuchswissenschaftler im Rahmen der Promotionsfeier der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät ihren Doktortitel. Das größte Kontingent stellten die Biologen (56), gefolgt von den Chemikern (28, Pharmazeuten (20), Physikern (7), Psychologen (7), sowie vier Informatikern und vier Mathematikern. Der Kreis der Promovierten ist international: Sie kommen aus Deutschland, Russland, Spanien, Italien, China, Indien, Ägypten, Ukraine, Polen, Iran, England, Indien, Bosnien-Herzegowina, Kasachstan und Rumänien.

Prodekan Prof. Dr. Martin Mauve führte durch die Veranstaltung und übergab die Urkunden an die frisch Promovierten. Er gab den frisch promovierten Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern mit auf den Weg: „David Heckmann wird heute für seine Promotion ausgezeichnet, aber seine Arbeit ist nur eine von vielen kreativen Forschungsarbeiten, die wir heute mit dem Doktortitel der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät auszeichnen. Sie können stolz darauf sein! Ich weiß aber auch, dass wir – Ihre Doktormütter und Doktorväter, die sie in den vergangenen Jahren betreut haben – stolz auf Ihre Leistungen sind.“

Bei der Promotionsfeier wurden traditionell wieder die schönsten und kreativsten Doktorhüte und Doktorwagen gekürt.

Dr. David Heckmann

David Heckmann, im Jahr 1986 in Bergisch-Gladbach geboren, studierte Biologie an der Universität zu Köln (Bachelor-Abschluss 2009). Im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf geförderten Graduiertenschule iGRAD-Plant absolvierte er anschließend ein so genanntes Fast-Track-Programm zuerst zum Masterabschluss (2012) und anschließend zur Promotion. Er forschte disziplinenübergreifend in den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martin Lercher (Informatik) und Prof. Dr. Andreas Weber (Biologie). Seine Promotionsarbeit “ Mathematical modelling of metabolism applied to the evolution of photosynthesis ”, bewertete die Fakultät im Jahr 2014 mit der Bestnote ‚summa cum laude‘.

Während seiner Promotion verbrachte er im Rahmen des iGRAD-Plant-Programms von September 2012 bis Juni 2013 einen Forschungsaufenthalt an der Michigan State University in den USA. Seit 2014 arbeitet Heckmann als Postdoc in der Arbeitsgruppe von Prof. Lercher am Lehrstuhl für Bioinformatik.

Dr. Heckmann forscht im Überschneidungsbereich zweier Disziplinen, in der Bioinformatik. Er entwickelt dort Computermodelle und setzt sie ein, um Evolutionsprozesse bei Pflanzen und äußere Einflüsse darauf zu simulieren. Zu seiner Veröffentlichungsliste zählt unter anderem eine Publikation in der renommierten Zeitschrift CELL im Jahr 2013. Für diese Veröffentlichung erhielt er den Preis „Best Paper“ der Wilhelm Pfeffer-Stiftung 2014. Darüber hinaus wurde seine Promotionsschrift mit dem Gaterslebener Forschungspreis 2014 ausgezeichnet.

Pressemitteilung vom 20.06.2013 zur Veröffentlichung in CELL:
http://www.uni-duesseldorf.de/home/infocenter-hhu/aktuell/archivmeldungen/archivmeldungen-detailansicht/article/pflanzen-auf-dem-pfad-zur-fitness.html?cHash=da79801b56a9f2744dc4dae9226ace45

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Tel.:   49 211 81-10896
Fax:   49 211 81-15279
arne.claussen@hhu.de
www.hhu.de

Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist seit 1965 die Universität der Landeshauptstadt und eine feste Größe in der deutschen Hochschullandschaft.

An ihrer Medizinischen, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen, Philosophischen, Wirtschaftswissenschaftlichen und Juristischen Fakultät studieren rund 30.000 Studierende. Im Fokus der wissenschaftlichen Forschung stehen traditionell die Lebenswissenschaften. Zuletzt konnte im Rahmen der „Exzellenzinitiative“ von Bund und Ländern die Förderung eines Exzellenzclusters in der Pflanzenzüchtungsforschung gewonnen werden.

Mehr zur HHU im Internet unter www.hhu.de.

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Über uns

Die junge Hochschule verfügt bereits über eine gewachsene Tradition: Sie ging aus der 1907 eingerichtete Medizinischen Akademie hervor. Im Jahre 1965 wurde vom Land NRW die heutige Universität gegründet. Die Hochschule startete mit drei Fakultäten: Medizinische Fakultät, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät sowie Philosophische Fakultät. 1988 in Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf umbenannt, erlebte die Hochschule ein dynamisches Wachstum. Sie wurde in den 1990ern um zwei weitere Fakultäten erweitert: die Wirtschaftswissenschaftliche und Juristische Fakultät. Heute forschen, lehren und arbeiten auf dem Campus rund 17.000 Studierende, mehr als 1.700 Lehrende sowie 850 weitere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Zum Start des Wintersemesters 2010/2011 konnte die Hochschule fast 4.000 neue Studierende begrüßen.

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