In den vergangenen zehn Jahren ist die Biologie in das Zeitalter der «Big Data» eingetreten. Moderne Hochdurchsatzverfahren erzeugen riesige Datenmengen, die die vieldimensionalen Eigenschaften und Identitäten von Zellen erfassen. Mit der Einzelzell-RNA-Sequenzierung können Forschende heute die Aktivität von Zehntausenden Genen in Hunderttausenden oder sogar Millionen einzelner Zellen messen. Solche hochkomplexen Datensätze fallen inzwischen in vielen Bereichen der Biologie an – von der Genetik über die Krebsforschung bis hin zu den Neurowissenschaften.
Diese umfangreichen Daten versprechen neue Erkenntnisse darüber, wie sich Zellen beispielsweise entwickeln, miteinander kommunizieren oder sich im Verlauf von Krankheiten verändern. Ihre Auswertung ist für Forschende jedoch nach wie vor eine der grössten Herausforderungen. «Wir Menschen sind sehr gut darin, Muster zu erkennen, solange sie in zwei oder drei Dimensionen dargestellt sind», sagt Prof. Erik van Nimwegen. «Aber wir können uns kein Bild von Daten machen, die in 10'000 Dimensionen existieren und welche Art von Strukturen sich dahinter verbergen.»
In der Fachzeitschrift «Nature Biotechnology» berichten die Forschenden über ihr neu entwickeltes Tool namens Bonsai, welches multidimensionale Datensätze in Form eines Baumes darstellt. Diese Art der Visualisierung liefert ein bildet Datenstrukturen realitätsgetreu ab, wie etwa die Verwandtschaftsverhältnisse oder Entwicklungswege von Zellen.
Baum statt flacher Karte
Die meisten heute verwendeten Programme zwängen Daten mit Tausenden Dimensionen in eine zweidimensionale Darstellung. Obwohl diese Methoden in nahezu jeder Studie eingesetzt werden, sind sich die Forschenden bewusst, dass diese Methoden die Daten unweigerlich verzerren. Daher wird es unmöglich zu erkennen, ob die ermittelten Beziehungen zwischen Zellen tatsächlich bestehen oder lediglich nur Artefakte sind, die durch die Art der Darstellung entstehen. Bonsai löst dieses Problem.
«Anstatt die Daten als flache Karte abzubilden, erstellt unser Tool einen verzweigten Baum, mit den einzelnen Zellen an den Spitzen, wo sich die Blätter befinden», erklärt Erstautor Daan de Groot. «Die Abstände entlang der Äste zeigen an, wie eng Zellen im multidimensionalen Raum miteinander verwandt sind.»
Das Team testete Bonsai sowohl mit simulierten als auch mit realen Datensätzen aus der Einzelzell-RNA-Sequenzierung. Im Vergleich zu bestehenden Verfahren rekonstruiert Bonsai Entwicklungswege von Zellen viel genauer, bildet ihre wahren Beziehungen zueinander ab und kann zudem ähnliche Zelltypen zuverlässiger erkennen.
