"Viele Leute wollen es gar nicht so genau wissen, die ekeln sich davor", lacht Alexandra Graf über eine verbreitete Reaktion auf ihren Forschungsgegenstand. Die Wiener Bioinformatikerin ist Forscherin aus Leidenschaft. Sie ist fasziniert vom Leben in seiner kleinsten Form, dem Mikrobiom mit all seinen Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Einzellern, die sich im und auf dem Menschen und in seiner Umgebung tummeln.

Graf machte sich in der breiteren Öffentlichkeit einen Namen, als sie 2016 begann, in der Wiener U-Bahn Mikrobiom-Proben zu nehmen. Graf gehört zur weltweiten Forschungsinitiative Metasub, die versucht, den individuellen mikrobiellen "Fingerabdruck" von Städten zu identifizieren. Denn ebenso wie Menschen eine individuelle Zusammensetzung ihres Mikrobioms haben, quasi einen Fingerabdruck, könnten auch Städte einen solchen aufweisen.

Kein leichtes Unterfangen, sagt Graf, noch sei man am forschen, worin genau die Unterschiede zwischen Städten wie New York City, Wien, Kopenhagen oder Singapur liegen. Die Forscher sammeln für das Projekt  Unmengen an Daten, ihre Auswertung erfolgt - natürlich - in den USA. Womit wir auch gleich mitten in der speziellen Problematik der Bioinformatik wären: Rund um den Globus erschließen digitale Technologien immer mehr biologische Datenschätze, die für neue Forschungsfelder wie die Metabolomik, Genomik oder Proteomik wichtig sind – auswerten können diese Daten aber nur wenige hochqualifizierte Spezialisten. Und von diesen hat Europa zu wenige.

Flaschenhals Datenauswertung

Ein "Bottleneck" seien bioinformatische Auswertungen, meint Alexandra Graf. Eine gute Datenanalyse ist eine langwierige, aufwendige Arbeit, die Ergebnisse müssen aussagekräftig sein. Es braucht profundes Wissen: um die biologische Fragestellung, die technische Umsetzbarkeit und die Programmierung. Wie man die Ergebnisse dann präsentiert, sodass sie verständlich und damit auch verwertbar werden, ist ebenfalls ein kritischer Punkt. "Bioinformatiker sitzen oft Wochen, Monate, um eine Analyse gut zu machen, sodass das Ergebnis auch brauchbar ist."

Angesichts begrenzter finanzieller und personeller Ressourcen werden Datenanalysen oft ausgelagert. Man investiert, insbesondere in Europa und in Österreich, lieber in die Datenqualität als in die Analyse. Währenddessen macht man vor allem in den USA mit den Daten Geld. Nicht zuletzt, weil Datenanalysen dort selbstverständlich zum Geschäft gehören und Forscher darin erfahrener sind – ein Wettbewerbsvorteil. "Das Wissen um den Wert, der hinter den Daten steht, ist noch nicht so stark in unsere Gesellschaft eingedrungen", formuliert es Forscherin Graf vorsichtig.

Pandemiebedingter Boom

Die Zeichen stehen aber auch hierzulande auf Veränderung, ein Umdenken findet statt, das Interesse an Bioinformatik steigt: "Ich glaube, in den letzten zwei Jahren hat sich mehr getan als in den zehn Jahren davor", so Graf. Bereits die Entschlüsselung des menschlichen Genoms sowie später praktisch verwertbare Erkenntnisse aus der Mikrobiom-Forschung erregten öffentliche Aufmerksamkeit, womit mehr Geld in die bioinformatischen Analysen floss, was wiederum die Forschung vorantrieb. "Man merkt, dass das Ganze langsam in den Mainstream geht." Vorbei sei die Zeit der Hacker in ihren kleinen Kämmerchen, das Interesse an Ausbildungen im Bereich Bioinformatik steige kontinuierlich.

Rund um die Covid-19-Forschung hat der Bereich nun nochmals erheblich an Fahrt aufgenommen, hat Graf beobachtet. Seit März verzeichnet man auch an der FH Campus Wien, wo Alexandra Graf Bioinformatik lehrt, ein verstärktes Interesse am Studium. 44 Studenten warten derzeit, ob sie einen Platz im berufsbegleitenden Lehrgang bekommen. Derzeit sind es 27 Studienplätze, die dort alle zwei Jahre angeboten werden.

Bioinformatik studieren

Aber wer studiert eigentlich Bioinformatik und warum? Als Bioinformatikerin des allerersten Lehrgangs an der FH Campus Wien und mittlerweile auch Lehrende hat Alexandra Graf da einen guten Überblick. War Bioinformatik zu ihren Anfangszeiten noch ein Diplomstudiengang mit dem Abschluss Diplomingenieur, so wird Bioinformatik an den Fachhochschulen mittlerweile sowohl als Bachelor- als auch als Masterstudium angeboten. Auch an anderen Fachhochschulen, wie etwa der FH Oberösterreich, kann man Bioinformatik studieren oder Schwerpunkte in dem Bereich setzen.

Interessant ist das Fach sowohl für Biologen und andere Naturwissenschaftler als auch für Mediziner, aber insbesondere auch für IT-Spezialisten, die entweder bereits eine komplette Ausbildung, Berufserfahrung oder auch nur den ersten Studienabschnitt hinter sich haben.

Bakterien, Pilze, Viren - das ist die Ausbeute, auf die Alexandra Graf hofft. Im Projekt Metasub wird mit Hilfe von Bioinformatik versucht herauszufinden, ob Städte ein individuelles Mikrobiom haben. - © Lena Nesic
Bakterien, Pilze, Viren - das ist die Ausbeute, auf die Alexandra Graf hofft. Im Projekt Metasub wird mit Hilfe von Bioinformatik versucht herauszufinden, ob Städte ein individuelles Mikrobiom haben. - © Lena Nesic

Ihre Studierenden seien höchst unterschiedlich, was Vorbildung und Alter betrifft, es finden sich auch viele Quereinsteiger darunter, erläutert Alexandra Graf. "Das macht das Studium und das Unterrichten interessant und definiert auch ein wenig, in welche Richtung die Studenten nachher gehen. Jene, die eine grundlegende Ausbildung in der IT haben, können nachher leicht in Richtung Software-Entwicklung gehen. Andere spezialisieren sich auf Datenanalyse. Bei vielen ist es so, dass sie schon im Beruf mit biologischen Daten zu tun hatten und den Analysebedarf sehen. Wir haben auch Studenten, die sich selbstständig gemacht und eigene Firmen gegründet haben, wo sie Datenanalyse oder -beratung anbieten."

Die Zusammensetzung einer Klasse – an der FH Campus Wien ist das Studium schulähnlich aufgebaut – bedinge jeweils die Schwerpunkte, die im Unterricht gesetzt werden. "Sind es mehr Biologen, muss mehr IT-Wissen aufgebaut werden. Sind mehr IT-Leute da, muss man mehr biologisches Grundwissen vermitteln", erläutert Alexandra Graf.

Der Master in Bioinformatik ist vor allem im Bereich der Labore und im medizinischen Bereich begehrt, denn dort werden viele Daten erzeugt und der Wunsch, diese auch selbst zu analysieren, wächst. "Wenn man die Datenanalyse selbst machen kann, hat man es besser unter Kontrolle, weiß wie die Algorithmen, die Programme, funktionieren. Dann kann man sich spontaner entscheiden, vielleicht doch einen anderen Weg zu gehen und nicht nur die Standardanalyse zu machen, die man eben von der jeweiligen Serviceeinrichtung bekommt", beschreibt Graf die Vorteile hausgemachter Analysen.

"Aufgabe eines Bioinformatikers ist es, zu wissen, mit welchen Daten man da arbeitet und zu entscheiden, welches der richtige Weg ist, diese zu analysieren und dann das Ergebnis so aufzubereiten, dass es verständlich wird. Biologisches Wissen ist dabei wichtig, denn man muss filtern und selektieren. Und alle Algorithmen und Methoden, die wir in der Bioinformatik verwenden, haben biologische Hintergründe", umreißt Alexandra Graf das Berufsbild.

Wer sich in Bioinformatik ausbilden lassen will, hat die Qual der Wahl und sollte sich genau informieren, welche Schwerpunkte in der jeweiligen Ausbildung gesetzt werden, was wiederum unterschiedliche Bezeichnungen mit sich bringt. Neben dem berufsbegleitenden Bachelor- oder Masterstudium an der FH Campus Wien kann man an der Universität Wien den Master in Bioinformatik machen, ebenso an der TU Graz, die Medizinische Universität Wien bietet einen Masterstudiengang Medizinische Informatik an. "Es gibt in Linz, in Hagenberg, noch Bioinformatik, die sind sehr stark in medizinischer Informatik. In Tulln, von der FH Wiener Neustadt, gibt es Bio Data Science, das ist aber mehr analyseorientiert, nicht so IT-lastig wie bei uns", versucht es Alexandra Graf kurz zu umreißen. "An der TU Wien gehen sie eher in Richtung medizinische Informatik, machen zum Beispiel Modelle von Nervenzellen, vom Herzen, vom Durchfluss im Körper und machen Virtual Reality für Chirurgen."

Programmierkenntnisse erwünscht

Programmieren sollte man eigentlich schon können, wenn man mit Bioinformatik beginnt, meint die Bioinformatikerin Graf. Es ist aber auch möglich, sich das Programmieren selbst beizubringen. Weil die Erfahrung gezeigt habe, dass viele im Selbststudium programmieren gelernt haben und "ein zehn Jahre altes Zeugnis nichts aussagt" verlangt die FH Campus Wien von angehenden Master-Studenten, dass sie eine Programmieraufgabe lösen, damit sie offiziell aufgenommen sind: "Diese Aufgabe ist in Python zu programmieren." Bei dieser Testaufgabe handelt es sich um eine "bioinformatische Fragestellung", meint Alexandra Graf. "Das heißt, die Studenten müssen schon ein bisschen recherchieren und das als Programm umsetzen. Wir geben ihnen eine Liste von Tutorials und Videos, die sie sich ansehen können, um das Problem zu lösen." Hauptsinn des Ganzen sei es aber, zu sehen, ob diese Arbeit den Bewerbern überhaupt Spaß mache. "Denn es hat keinen Sinn vier Semester lang Bioinformatik zu machen, wenn man das nicht gerne macht. Leute, die nicht programmieren wollen, können nicht Bioinformatik machen."

Wer einen Abschluss in Bioinformatik in der Tasche hat, hat gute Karrierechancen, etwa in Forschungseinrichtungen an Universitäten und in Unternehmen, insbesondere in der Pharmabranche. "Ich sehe für die Zukunft einen steigenden Bedarf an Bioinformatikern. Die ganze Biologie wird sich in diese Richtung entwickeln. Biologen werden künftig programmieren können müssen, um ihre Daten selbst zu analysieren, denn sie produzieren so enorm viel davon. Und es ist eine Verschwendung, die Daten zu haben und daraus dann kein Wissen zu ziehen", ist Alexandra Graf überzeugt.

Noch ist das Bewusstsein zwar nicht sehr weit verbreitet, dass man als Forschender von Morgen ein Naheverhältnis zu Datenanalyse und IT haben muss, aber unter jüngeren Studenten steigt das Interesse: "Machine Learning Methoden, künstliche Intelligenz, all diese Datenberge aufzuarbeiten und was man damit machen könnte, das fasziniert die Jungen ganz stark." Außerdem wird bioinformatisches Wissen auch in die naturwissenschaftlichen Studien immer stärker inkludiert werden, ist sich Graf sicher.

Haltegriffe, Rolltreppengeländer, Touchscreens: Alles ist für Alexandra Graf von Interesse, um dem urbanen Mikrobiom auf die Spur zu kommen. Die Arbeit im Labor beginnt, wenn ausreichend Proben genommen wurden. - © Lena Nesic
Haltegriffe, Rolltreppengeländer, Touchscreens: Alles ist für Alexandra Graf von Interesse, um dem urbanen Mikrobiom auf die Spur zu kommen. Die Arbeit im Labor beginnt, wenn ausreichend Proben genommen wurden. - © Lena Nesic

Schlüssel zu unbekannten Welten

Bei ihren Arbeiten zur Erforschung des Mikrobioms, stellt Forscherin Alexandra Graf immer wieder fest, wie wenig wir Menschen über das mikroskopisch kleine Leben in unserer Umwelt wissen. "Alles, worauf unser Wissen im Moment basiert, sind nur wenige Prozent von dem, was man eigentlich sehen könnte."

Nicht zuletzt deshalb faszinierte sie die Metagenomik, bei der man das Genom der Umwelt untersucht. Die Forschung über das Mikrobiom der Wiener U-Bahn gehört zu diesem Gebiet. Graf nahm dafür Proben an Haltegriffen, Touchscreens und den Handflächen von Versuchspersonen vor und nach der Öffi-Benützung. Die Proben werden mit einem speziellen Wattestäbchen genommen.

Tricky: Eine Mikrobiom-Probe nehmen, ohne eine Fahrkartekarte zu kaufen. Das Forschungsteam von Metasub, in dem auch die Bioinformatikerin Alexandra Graf forscht, steht erst am Beginn eines Verständnisses des urbanen Mikrobioms. - © Lena Nesic
Tricky: Eine Mikrobiom-Probe nehmen, ohne eine Fahrkartekarte zu kaufen. Das Forschungsteam von Metasub, in dem auch die Bioinformatikerin Alexandra Graf forscht, steht erst am Beginn eines Verständnisses des urbanen Mikrobioms. - © Lena Nesic

Graf und ihr Team haben für die Analyse des urbanen Mikrobioms eine eigene Applikation, die Metagene-App, entwickelt. "Die Applikation ist als Webseite implementiert, die man ansehen und mit der man interagieren kann. Sie ermöglicht Analysen auf Windows, Mac und Linux und richtet sich an Leute, die mit Daten arbeiten, sich aber in der Bioinformatik nicht so gut auskennen. Die Applikation soll die Datenanalyse erleichtern. Dafür gibt es ein grafisches User-Interface, wo man seine Samples eingeben kann."

Wer nun denkt, vor allem angesichts der aktuellen Diskussion um Schmier- oder Tröpfcheninfektionen sowie Sinn und Unsinn von Desinfektionsmitteln, dass U-Bahnen wahre Horte gefährlicher Mikroorganismen sind, irrt. "Die Mehrheit dieser Mikroorganismen in den Öffis sind harmlos oder sogar hilfreich", sagt Graf.

Zudem tragen die U-Bahn-Benützer das auf den Oberflächen vorhandene Material auch nicht lange mit sich herum, denn das Mikrobiom auf der menschlichen Haut ist individuell. Zwar gebe es Unterschiede vor und nach dem U-Bahn-Fahren, dennoch unterscheidet sich das Mikrobiom von Haut und Oberflächen erheblich, betont Alexandra Graf. Damit darf man sich auch von der Vorstellung verabschieden, anhand eines Abstriches der Haut als Wienerin oder New Yorkerin erkannt werden zu können.

Worin sich nun genau die Großstädte der Erde in Sachen Mikrobiom unterscheiden, ist derzeit noch nicht abschließend erforscht. Eine Spur deutet darauf hin, dass sich vor allem das pflanzliche Leben identifizierbar unterscheidet. "Das ist ein Ansatz, den wir verfolgen: zu sehen, ob pflanzliches Mikrobiom vielleicht einen Fingerabdruck ergibt. Da kommt es darauf an, was in der Umgebung der Stadt wächst", erklärt die Bioinformatikerin.

Das Mikrobiom als Frühwarnsystem

Aber wozu der ganze Aufwand, die ganzen Mühen in der Analyse? Die Erwartung der Forscher ist, dass die Kenntnis des Mikrobioms einer Stadt es leichter macht, Krankheitserreger, Pathogene, zu finden. Zum Beispiel suchen die New Yorker Metasub-Kollegen von Alexandra Graf in der New Yorker Ubahn derzeit nach Coronaviren. Der amerikanische Teil des Metasub-Konsortiums hat bereits eine praktische Anwendung im Sinn, die in Richtung Frühwarnsystem geht. "Findet man Krankheitserreger, soll das auf einer Karte als Farbcode sichtbar werden. Bei einer kontinuierlichen Analyse des Mikrobioms könnte es dann im Fall des Falles auch Warnstufen geben, ähnlich wie heute schon bei der Pollenwarnung."

Bei der Analyse von Abwässern rund um die Coronavirus-Forschung hat es hierzulande bereits Ansätze in diese Richtung gegeben, weiß Alexandra Graf, auch wenn sie nicht involviert war. Auch die Metasub-Forschergemeinde beschäftigt sich mit diesem Forschungsgebiet. Frühwarnsysteme hätten hier womöglich wichtige Zeit für Maßnahmen gegen Covid-19 verschaffen können. Vielleicht werden solche und ähnliche Methoden, die das Mikrobiom im Auge behalten, künftig vor Krankheitsausbrüchen warnen können.

Wienerin oder nicht? Alexandra Graf nimmt eine Probe von den Handinnenflächen einer Passantin. Eine Stadt und ihre Bewohner haben kein gemeinsames Mikrobiom. Die biologischen Partikel, die man zum Beispiel bei Ubahnfahren mitnimmt, verschwinden zu schnell, um anhand des Mikrobioms einer Person auf ihre Stadt schließen zu können. - © Lena Nesic
Wienerin oder nicht? Alexandra Graf nimmt eine Probe von den Handinnenflächen einer Passantin. Eine Stadt und ihre Bewohner haben kein gemeinsames Mikrobiom. Die biologischen Partikel, die man zum Beispiel bei Ubahnfahren mitnimmt, verschwinden zu schnell, um anhand des Mikrobioms einer Person auf ihre Stadt schließen zu können. - © Lena Nesic

Die Methodik sei dabei jedenfalls in etwa die gleiche wie bei den Probennahmen in der Wiener U-Bahn, erläutert die Bioinformatikerin. Allerdings gebe es vor allem rund um die Covid-19-Forschung noch viele Unsicherheiten technischer Art, viele Falsch-Positiv- oder Falsch-Negativ-Testungen. "Man testet ja, ob ein Coronavirus da ist, indem man eine kleine Sequenz nimmt, die zum Genom des Virus passt. Bekommt man dann ein Signal, hat man so etwas gefunden. Oft ist es jedoch so, dass dies nicht nur auf Covid-19, sondern auf andere Coronaviren hindeutet." Und selbst wenn man nun eine Covid-19-Sequenz fände, sei nach wie vor schwer nachweisbar, ob diese auch noch ansteckend sei, warnt sie vor zu frühem Enthusiasmus.

In Bezug auf antibiotikaresistenter Keime liefert das Metasub-Projekt bereits verlässliche Ergebnisse. Untersucht wurden Krankenhäuser und ihre unmittelbare Umgebung. Die Erkenntnisse sind beruhigend: "Man hat dabei keine Korrelation zwischen Krankenhäusern und U-Bahnstationen in deren Nähe gefunden. Wenn der Evolutionsdruck durch die Antibiotika wegfällt, bleiben die Resistenzen nicht erhalten. Für Bakterien ist es einfach relativ teuer, Resistenzen aufrecht zu erhalten. Das machen sie nur, wenn sie müssen. Wenn sie sonst nicht überleben könnten."

Allergien auf der Spur

Ein interessantes Feld für die Mikrobiom-Forschung sind auch Allergien und wie sie ausgelöst werden. Immer mehr verdichten sich nämlich Hinweise darauf, dass der Kontakt mit spezifischen Mikroorganismen in frühester Kindheit und Jugend Allergien verhindern kann. Fehlt dem Immunsystem dieser Kontakt, neigt es zu Überreaktionen. "Das ist ein neuer Forschungsfokus für Metagenom-Studien. Im menschlichen Körper ist einfach überall Mikrobiom, das ist das Leben. Es gibt in uns mehr bakterielle Zellen als humane. Seit dem Humanen Mikrobiom Projekt ist man zu der Erkenntnis gelangt, wie wichtig dies auch für uns ist. Gibt es da Ungleichgewichte, kommt es zu erhöhten Entzündungsreaktionen, eben auch Richtung allergische Reaktionen", umreißt Graf das Forschungsfeld.
Die Bauernhof-These, wonach Kinder, die mit Stall und Tieren aufwachsen, besser gegen Allergien geschützt werden, ging also zwar in die richtige Richtung, genaueren Aufschluss bekommt man aber erst jetzt, mittels Mikrobiom-Forschung. "Ganz so einfach ist es halt nicht. Es kommt darauf an, welche Organismen genau vorhanden sind. Außerdem spricht all das schon sehr gegen diese extreme Hygienetheorie, die wir einmal hatten – dass wir alle Mikroorganismen in unserer Umgebung töten, weil das alles Krankheitserreger sind."

Womit sich die Allergieforschung und jene rund um antibiotikaresistente Keime wieder begegnen, bei der Gefahr nämlich, mit antibakteriellen Mitteln, ob fürs Putzen oder die Desinfektion, die harmlosen Mikroben zu töten und den gefährlichen mehr Spielraum zu gewähren. "Man muss sich bewusst sein, dass man da eine Selektion vornimmt. Je mehr Mittel ich verwende, um Bakterien zu töten, umso eher sind jene, die übrig bleiben resistent. Und das nächste Mal habe ich dann nur mehr resistente", warnt sie. Kurz: Je vielfältiger das mikrobielle Leben in und um uns, desto gesünder.

Übertragen auf die Situation der Bioinformatik: Je mehr Menschen mit verschiedenen Hintergründen sich für das Gebiet interessieren, desto besser.

Angst vor Mikroorganismen braucht man nicht zu haben, meint die Bioinformatikerin Alexandra Graf: Die bisherige Forschung deutet darauf hin, dass es besser ist, es gibt möglichst viele und möglichst verschiedenene Bakterien - in, auf und und um einen herum. Zuviel Desinfektion macht krank. - © Lena Nesic
Angst vor Mikroorganismen braucht man nicht zu haben, meint die Bioinformatikerin Alexandra Graf: Die bisherige Forschung deutet darauf hin, dass es besser ist, es gibt möglichst viele und möglichst verschiedenene Bakterien - in, auf und und um einen herum. Zuviel Desinfektion macht krank. - © Lena Nesic