Wieviel Modellierung braucht ein Biologie?

Dr. Peter FriedhoffInstitut für Biochemie,

Fachbereich Chemie und Biologie

Justus-Liebig-Universität Gießen

Systembiologie?

The Scientist (2003),17:26

Was ist der Unterschied zwischen einer lebenden und einer toten Katze?

Editorial Nature (2005), 341: 1

Eine Antwort ist „Systembiologie“:

„A dead cat is a collection of its component parts.

A live cat is the emergent behaviour of the system incorporating those parts.“

Biologische Systeme

Organismus

Organ

Gewebe

Zelle

Organell

…Voet & Voet (2004) Biochemistry 3.Ed.

Schlüsseleigenschaften von Systemen Systemstrukturen

Bestandteile biologischer Systeme sowie deren strukturelle Beziehungen

SystemdynamikVerhalten des System unter verschiedenen externen und internen Bedingungen

Systemkontrolle Mechanismen, die das System unter Kontrolle halten

KonstruktionsprinzipienDiese müssen in biologischer Systeme identifiziert und bei der Systemanalyse und der Erzeugung von gewünschten Eigenschaften genutzt werden.

http://www.bmbf.de/pub/systembiologie.pdf

Systembiologie

"Systembiologie untersucht das Verhalten und die Wechselwirkungen aller Elemente in einem bestimmten funktionierenden biologischen System“

Ideker, T.; Galitski, T.; Hood, L. (2001) Annu. Rev. Genomics Hum.Genet. 2Palsson, B. (2000) Nature Biotechnology 18, 1147-1150

http://www.bmbf.de/pub/systembiologie.pdf

Hypothesen-getriebene Forschung in der Systembiologie

Kitano (2002), Science 295 1662-1664

Systeme analysieren – Bottom-up, top-down, oder middle-out?

Top-down: Fängt bei höheren Detailstufen an und arbeitet sich zu niedrigeren Stufen vor

Bottom-up: von den Komponenten (DNA, Protein) zu den übergeordneten Systemen bis hin zum Organismus (oder höheren Stufen)

Prozesse in der Systembiologie

Datengewinnung Hochdurchsatzverfahren/Parallelisierung Quantitative Methoden Qualität/Standardisierung Datenbanken

Modellierung Chemisch-kinetische Modelle Diskrete Schaltkreismodelle …

Technologien zur Datengewinnung Institute for Systems Biology, Seattle, USA

Gene (DNA)DNA-Sequenzierung, Genotypisierung, Gen-Deletion, RNAi-knockouts

Genexpressionsmuster (RNA)Microarrays und DNA tagging Verfahren

DNA-Protein-InteraktionenChromatin-Immunoprezipitation und Gen-Chips (ChIP-Chip)

Protein-Protein InteraktionenTwo-hybrid-basierte Interaktionen, Affinitätsaufreinigung/Massen-spektrometrie, quantitative Proteomanalyse

Subzelluläre Protein LokalisationZellsortierung, molecular imaging von Reportergenen, Antikörperfärbung

In der Praxis sieht das dann so aus:Galaktose-Stoffwechsel in Hefe

Hwang, Daehee et al. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17302-17307

Datenerfassung und Prozessierung

In der Praxis sieht das dann so aus:Galaktose-Stoffwechsel in Hefe

Hwang, Daehee et al. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17302-17307

Modell des Netzwerkes

Strukturen, Dynamik und Kontrolle: E. coli Metabolismus

Massentransfer

* Quelle: EcoCYC

Metabolite

Enzyme

+Regulation

“Biology needs to graduate from the cartoon diagram”

Bruce Alberts, ehemaliger Präsident der US National Academy of Sciences

in einer Bemerkung auf einem Symposium mit Thema “Dynamics in Biological Networks”

in Princeton 2001

Vom Cartoon zum Modell:quantitative Modellierung

Massentransfer

* Quelle: EcoCYC

Metabolite

Enzyme

+Regulation

Quantitative Modelle

Empirische Modelle Beschreiben die Form der

Daten Parameter korrespondieren

nicht unbedingt mit biologischer/physikalischer Größe

Regression

Nicht-lineare Modellierung

Neuronale Netze

n

x

LogEC

YYYY

10

101

50

minmaxmin

Blu

tdru

cB

lutd

ruc

kk

Log (Dosis)Log (Dosis)

Quantitative Modelle

Physikalisch/Mechanistisch

Aufzählung der Komponenten, Beziehungen und physikalische Beschreibung der Interaktionen

Deterministisch oder stochastisch

PEESSE

SK

SVESk

dt

Pd

mcat

max

Beispiele für komplexe SystemeE. coli Metabolismus

Massentransfer

* Quelle: EcoCYC

Metabolite

Enzyme

+Regulation

Einfaches Modell mit Rückkopplung

www.celldesigner.orgwww.celldesigner.org

MAP Kinase Kinase Kinase

MAP Kinase Kinase

MAP KinaseMitogen-aktivierte Kinase

Simulation ohne Feedback

ZeitZeit

Kon

zent

ratio

nK

onze

ntra

tion

Simulation mit Feedback

ein oszillierendes System

ein oszillierendes System

ZeitZeit

Kon

zent

ratio

nK

onze

ntra

tion

Simulation mit FeedbackWas passiert, wenn …

ZeitZeit

Kon

zent

ratio

nK

onze

ntra

tion

2][

][2 KPMKKK

PMKKKvv

Dephosphorylierung durch Phosphatase

Die Aktivität der Phosphatase um 50 % reduziert wird

Simulation mit FeedbackWas passiert, wenn …

ZeitZeit

Kon

zent

ratio

nK

onze

ntra

tion

2][

][2 KPMKKK

PMKKKvv

Dephosphorylierung durch Phosphatase

Reduktion der Phosphataseaktivität um 50 %

Frequenzmodulation des OszillatorFrequenzmodulation des Oszillator

Vorgehensweise bei der Modellierunghier: kinetische Modelle

Verhalten des Modells unter verschiedenen Bedingungen (Parametern, Konzentrationen) (Simulation)

Schlüsselparameter erkennen (Systemanalyse) Vergleich mit experimentellen Daten (z.B.

Proteinkonzentration, Input/Output, Metabolitkonzentrationen) (Experiment)

Vergleich der Parameter in der Simulation mit denen aus Experimenten

Modell verfeinern (Iteration)

Kinetische Modelle in der Signaltransduktion

Sasagawa et al. Nat Cell Biol. 2005 Apr;7(4):365-73

Input

Output

Input

EGFepidermal growth factor transiente Stimulation

NGF nerve growth factor transiente und anhaltende Stimulation

ERK extracellular-signal-regulated kinase

Zelle reagiert mit Wachstum oder Differenzierung

Vergleich von Simulation (in silico) und Experiment (in vivo)

Sasagawa et al. Nat Cell Biol. 2005 Apr;7(4):365-73

Ou

tpu

t

EGF NGF

SimulationSimulation SimulationSimulation

In vivoIn vivo Daten Daten In vivoIn vivo Daten Daten

Verschiedene Ebenen – Verschiedene Modellierungen

Bornhold (2005), Science 310 449-450

„All models are wrong. Some models are useful.“

    George Box

Nun fängt die Arbeit an ...

In vivo Kinetiken der Nukleotid-Exzisions-Reparatur

Friedberg, Nature Reviews Cancer 1, 22-33 (2001)

In vivo Kinetiken der Nukleotid-Exzisions-Reparatur

Fluoreszenz-markiertes XPC

UV-Schaden setzen Kinetiken verfolgen

Politi et al. (2005) Molecular Cell, 19, 679–690