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Ringvorlesung zur Simulation zellbiologischer Prozesse im Computer
FRANKFURT. Die Mechanismen des Lebens aufzuklären - damit beschäftigt sich die Biologie seit je her. Dabei wurden biologische Prozesse in immer kleineren Details erforscht, bis hin zur Funktionsweise einzelner Proteine. Technologischer Fortschritt in den Biowissenschaften erzeugte in den vergangenen Jahren eine Datenflut, die ohne Computermethoden nicht mehr zu bewältigen ist. Die klassische Bioinformatik half so zum Beispiel bei der Zusammensetzung (Assemblierung) der DNA-Sequenz des menschlichen Genoms, die - nur wenig beachtet - erst seit April 2003 vollständig vorliegt. Denn seit dem großen Hype Anfang 2001 anlässlich der Veröffentlichung der Vorabversion der Genomsequenz ist vielen klar geworden, dass die Entschlüsselung der kompletten Sequenz noch lange nicht bedeutet, dass sämtliche biologischen Vorgänge in der Zelle beschrieben werden können.
Die Systembiologie verfolgt einen ganzheitlichen Forschungsansatz, der dies leisten soll, um zu einem Verständnis des ganzen Systems und nicht nur einzelner Gene oder Proteine zu gelangen. Mathematische Modellierung und Simulation soll das Wissen nutzbar machen, das über biologische Systeme gesammelt wird. Durch Einsatz von Computermodellen können zum Beispiel Laborexperimente besser geplant, Hypothesen generiert und sogar 'in silico' (also im Computer) Experimente durchgeführt werden. Zugleich können die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen in der Zelle besser veranschaulicht werden. Die Systembiologie vereint die Biologie (Experimente) mit der Informatik (Datenbanken, Werkzeuge, Visualisierung) und den Systemwissenschaften (Modellierung, Analyse) zu einem vielversprechenden Ansatz, der in den kommenden Jahren einen hohen Stellenwert in den Naturwissenschaften einnehmen wird.
Das Institut für Informatik der Universität Frankfurt veranstaltet zusammen mit dem Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und der Frankfurt International Graduate School of Science (FIGSS) die Ringvorlesung 'Simulation in Cell Biology'. Hierbei ist es gelungen, von namhaften internationalen Projekten wie E-Cell, Project Cybercell, Silicon Cell oder Virtual Cell Sprecher nach Frankfurt zu holen, die alle ein gemeinsames Ziel haben: zellbiologische Prozesse im Computer zu simulieren. Die Veranstaltung wird durch das Beilstein Institut zur Förderung der Chemischen Wissenschaften unterstützt.
Das Programm
Jim Schaff, 30.10.03: The Virtual Cell - A Problem Solving Environment for Computational Cell Biology
'Virtual Cell' ist ein Werkzeug zur Modellierung und Simulation von zellbiologischen Prozessen. Dabei werden neben den Beschreibungen der biochemischen Reaktionen auch Mikroskopiedaten herangezogen, um die subzelluläre Lokalisation der Moleküle in das Modell einzubeziehen.
Kouichi Takahashi, 13.11.03: Simulation of the Cell - A Multi-Algorithm Approach
Für die verschiedenen Untersysteme in einer Zelle (z.B. Stoffwechsel und Genregulation) werden unterschiedliche Simulationsalgorithmen benötigt, welche schwierig zu kombinieren sind. Um jedoch die ganze Zelle simulieren zu können, wurde ein Meta-Algorithmus entwickelt, der die verschiedenen Simulationsalgorithmen verwaltet.
Prof. Olaf Wolkenhauer, 20.11.03: Simulating what cannot be simulated: Perspectives and Challenges in Systems Biology
Dieser Vortrag behandelt die Perspektiven und Herausforderungen in der Systembiologie am Beispiel eines Signaltransduktions-Pathways. Trotz Mangels an verläßlichen quantitativen Daten liefern bereits einfache Simulationen nützliche Erkenntnisse, die bei der Planung weiterer Experimente helfen.
Dr. Markus Schwehm, 04.12.03: Metabolizer: A Fast Stochastic Biochemical Network Simulator
In den letzten Jahren wurden die stochastischen Simulationsalgorithmen stark verbessert. Diese Algorithmen sind bei der Simulation von biochemischen Prozessen besonders dann sinnvoll, wenn nur wenige Moleküle beteiligt sind. In diesem Vortrag wird ein geschwindigkeitsoptimierter stochastischer Algorithmus und ein darauf basierender Simulator für biochemische Netzwerke vorgestellt.
Prof. Dennis Bray, 11.12.03: Computer-based Analysis of a Simple Signalling Pathway
Chemotaxis in E.coli ist der bisher am besten charakterisierte Signaltransduktionsweg. Ein detailliertes Computermodell wurde erstellt und Simulationen durchgeführt, um das Modell zu verifizieren. Die Simulation und die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden vorgestellt.
Prof. Herbert Sauro, 18.12.03: Resource Sharing and Data Exchange: SBW and SBML
In der Systembiologie gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Software-Tools. Die Systems Biology Workbench (SBW) ist eine Softwareplattform, unter der verschiedene Anwendungen wie Modellierungstools, Simulatoren und Visualisierungskomponenten über eine gemeinsame Schnittstelle kommunizieren können.
Prof. Hans Westerhoff, 22.01.04: Calculations in Cell Biology: Discovering in the Silicon Cell
Um die Komplexität einer lebenden Zelle verstehen zu können, kommt die moderne Biologie nicht mehr ohne Mathematik aus. Simulationen können dazu benutzt werden, um kinetische Parameter eines biologischen Systems zu bestimmen. Sind diese Parameter bekannt, können sogenannte 'Silicon Cells' konstruiert und durch Berechnungen neue Erkenntnisse gewonnen werden.
Prof. Mike Ellison, 29.01.04: The Prospect of Whole Cell Simulation at Molecular Resolution
Die Moleküle in einer Zelle können als eine Ansammlung diskreter Partikel betrachtet werden. Durch eine stochastische Simulation der Interaktionen zwischen diesen Objekten können makroskopisch beobachtbare Prozesse wie Diffusion oder Membrandynamik abgebildet werden. Die zur Simulation einer einfachen Zelle mit dieser Methode notwendige Rechenpower wird einer konservativen Schätzung zufolge in 10 Jahren zur Verfügung stehen.
Dr. Roland Eils, 05.02.04: Modelling and Simulation of Large Signal Transduction Networks
Am Beispiel eines Apoptose-Pathways (programmierter Zelltod) wird eine Methode vorgestellt, durch die man auch trotz unvollständiger quantitativer Daten Computermodelle von zellulären Vorgängen generieren kann und deren Simulation neue Einblicke in diese Vorgänge ermöglicht.
Die Vorräge finden jeweils donnerstags, von 17.30 bis 19.30 Uhr, im Hörsaal H II, Hörsaalgebäude, Campus Bockenheim. Mertonstraße statt. Vortragssprache ist Englisch!
Informationen: Prof. Detlef Krömker, Tel.: 069 / 979 95 100; E-Mail: kroemker@informatik.uni-frankfurt.de und lectureseries@cs.uni-frankfurt.de und: www.cellsimulation.de.
Criteria of this press release:
Biology, Chemistry, Information technology, Medicine, Nutrition / healthcare / nursing, Social studies
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications
German
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