Tiere, deren Organismus symmetrisch aufgebaut ist, werden dem Stammbaum der Bilateria zugerechnet, auch der Mensch gehört dazu. Doch wie haben sich die einzelnen Tierarten aus ihren Urformen entwickelt? Bisher scheiterte die Berechnung von Stammbäumen aus Erbgutsequenzen an der dafür notwendigen Rechenleistung. Münchener Wissenschaftler haben nun Programme entwickelt, die Supercomputer in die Lage versetzen, diese Berechnungen durchzuführen.
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Einen ersten großen Erfolg gibt es auch schon: Der Testkandidat Acoelomorpha, ein winziger Wurm, ist mit Sicherheit bilateral, berichten die Forscher in der aktuellen Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Royal Society B“.
Entwicklung von Tierarten rekonstruieren
Seit die Analyse von Erbgut durch moderne biochemische Methoden kostengünstig möglich ist, träumen Forscher davon, über den Vergleich von Erbgutsequenzen die evolutionäre Entwicklung von Tierarten rekonstruieren zu können. Bereits bessere Laborcomputer können Genanalysen durchführen. Doch für die Analyse ganzer Stammbäume ist ihre Rechenleistung zu gering.
Im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation entwickelte deshalb ein Team der Technischen Universität München (TUM) um den Bioinformatiker Alexandros Stamatakis bestehende Software-Werkzeuge so weiter, dass die notwendigen Berechnungen nun auf Höchstleistungsrechnern durchgeführt werden können.
Stammbäume aus größeren Erbgutsequenzen berechnet
„Mit den in den Laboren verfügbaren Rechnern ist es nicht möglich, Stammbäume aus größeren Erbgutsequenzen zu berechnen, aber für Supercomputer waren die Rechenprogramme der Evolutionsbiologen nicht geeignet“, erläutert Michael Ott, Doktorand im Team von Stamatakis. Höchstleistungsrechner wie der des Garchinger Leibniz-Rechenzentrums schöpfen ihre Rechenleistung aus einer Vielzahl parallel arbeitender Prozessoren.
Stamatakis und sein Team erweiterten daher ein Analyseprogramm so, dass es die Rechenaufgaben nun auf viele Prozessoren verteilen und die Ergebnisse wieder zusammenfügen kann. Die TUM-Wissenschaftler haben damit ein Programm geschaffen, das Evolutionsbiologen auf der ganzen Welt frei zur Verfügung steht, um ihre Forschung voran zu treiben.
Acoelomorpha als erster Testkandidat
Als ersten Testkandidaten wählten Kollegen an der Brown University in Providence (USA) einen nur zwei Millimeter großen Wurm mit dem Namen Acoelomorpha aus. Seine evolutionären Wurzeln waren für die Wissenschaft bisher ein Rätsel. Am Ende der umfangreichen Analyse konnten die Forscher dem Wurm jedoch eine Heimat im Stammbaum der Tiere zuweisen – an der ersten Verzweigung innerhalb der Gruppe der Bilateria.
„Acoelomorpha ist von uns so weit entfernt wie ein Tier der Bilateria es nur sein kann, aber es ist bilateral. Das konnten wir nun beweisen“, sagt Professor Casey Dunn, Evolutionsbiologe der Brown University.
Garchinger Höchstleistungsrechner im Einsatz
Zur Entwicklung ihres Programms nutzten Stamatakis und sein Team den Garchinger Höchstleistungsrechner. Die endgültige Analyse für Acoelomorpha wurde auf einem BlueGene Rechner in den USA durchgeführt. Mit 2,25 Millionen Prozessorstunden war dies die aufwändigste je durchgeführte Stammbaumanalyse.
Nun arbeiten die Wissenschaftler an noch umfangreicheren Berechnungen und der weiteren Optimierung der Software, so dass das große Ziel – Stammbaumanalysen mit vielen Organismen unter Verwendung kompletter Genome – immer näher rückt. Die Anwendung der Software ist dabei nicht auf den Stammbaum der Bilateria beschränkt, das Prinzip ist für alle Lebewesen anwendbar.
(idw – Technische Universität München, 30.10.2009 – DLO)
