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Geometrie erobert die Genetik

Foto: Pablo Castagnola

Michael Joswig, Einstein-Professor für Diskrete Mathematik und Geometrie an der Technischen Universität Berlin, erhält ein Max-Planck-Fellowship. Das Fellow-Programm der Max-Planck-Gesellschaft fördert wissenschaftliche Kooperationen zwischen ausgezeichneten Universitätsprofessorinnen und -professoren und Forschenden der Max-Planck-Institute. Neben der Professur an der Technischen Universität Berlin leitet Joswig ab 1. Dezember 2019 eine Forschungsgruppe im Bereich mathematischer Software am Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig: Geometrie erobert die Genetik.

Warum sich ein Mathematiker damit beschäftigt, ob Fliegen ein, zwei oder fünf verschiedenen Bakterien im Darm haben? Weil es sich dabei um höhere Mathematik handelt. Dass Darmbakterien und ihre spezifische Zusammensetzung Auswirkungen auf die allgemeine Fitness des Wirtes haben, ist bekannt und gilt für Menschen genauso wie für Fliegen. Inwieweit die einzelnen Bakterien des Mikrobioms sich aber gegenseitig beeinflussen, und damit auch die Auswirkungen auf den Wirt, ist hochkomplex. Das Phänomen wird in der Biologie als Epistase bezeichnet. Die Biologen versuchen dieses komplexe mehrdimensionale Problem jetzt mit Hilfe von Geometrie zu lösen.


„Auf einer amerikanischen Tagung kam ich in Kontakt mit einem Biologen, der zu Epistase im Fliegen-Mikrobiom arbeitet“, so Prof. Dr. Michael Joswig, Professor für diskrete Mathematik und Geometrie an der Technischen Universität Berlin. Während Menschen vermutlich über 20.000 verschiedene Bakterienarten im Darm haben, sind es bei einer Fliege nur fünf – was die Mathematik unglaublich vereinfacht. „Mein Kollege aus Berkeley hat Fliegen ganz ohne Darm-Mikrobiom hergestellt, diese mit allen verfügbaren Kombinationen der fünf Darmbakterien besiedelt und die Auswirkungen dieser Kombination auf die drei Faktoren Entwicklung, Lebensdauer und Fruchtbarkeit gemessen.“ Trägt man die so erhobenen Mittelwerte in einem Graphen über den jeweiligen Bakterienkombinationen auf, entsteht ein Polyeder, das die sogenannte „Fitness Landscape“ der Fliegen beschreibt.


„Wir haben nun eine spezielle mathematische Methode benutzt, die es uns erlaubt, aus der Kombinatorik dieses Polyeders erstmals konkrete Informationen über die epistatischen Wechselwirkungen der einzelnen Bakterienarten und mögliche Auswirkungen auf die Fliege zu berechnen“, so Michael Joswig, der erst kürzlich die Auszeichnung als Max-Planck-Fellow des Max-Planck-Instituts für „Mathematik in den Naturwissenschaften“ in Leipzig erhielt.


„Mit dieser Förderung von 100.000 Euro pro Jahr für fünf Jahre werde ich in Leipzig eine neue Arbeitsgruppe aufbauen, die sich mit mathematischer Software beschäftigen wird. Dies wird auch der weiteren Forschung zur Epistase des Darm-Mikrobioms zugutekommen“, freut sich der Mathematiker.


Kontakt

Prof. Dr. Michael Joswig

Technische Universität Berlin

Institut für Mathematik

T: +49 (30) 314 75904

M: joswig(at)math.tu-berlin.de

 

Quelle: TU intern 10/2019

Text: Katharina Jung