Dynamische Modelle für die Systembiologie
Datenbasierte Computermodelle sind von entscheidender Bedeutung, um komplexe biologische Systeme zu erforschen und die biotechnologische Produktion (künstliche Erzeugung von Organismen) zu optimieren. Für die Code-Entwicklung, Erfassung und Optimierung braucht es jedoch umfassendes Know-how, um aus den vielen verfügbaren Daten Parameterschätzungen durchzuführen und sie in nichtlineare Modelle einzubetten. Derzeit stehen nur begrenzt Modelle bereit, die auch meist nur stationäre Bedingungen darstellen. Benötigt wird allerdings ein übergeordneter Modellierungsrahmen für die Datenanalyse, Modellbildung, Parameterschätzung, Berechnung von Unsicherheiten und Versuchsoptimierung. Das EU-finanzierte Projekt BIOPREDYN (From data to models: new bioinformatics methods and tools for data-driven predictive dynamic modelling in biotechnological applications) entwickelte einen allgemeinen Rahmen für die Modellierung, mit dem sich neueste wissenschaftliche Daten und Modelle in allgemeinere industrielle Anwendungen übertragen lassen. In dem gemeinschaftlichen Netzwerk BIOPREDYN kommen akademische Partner, die die Algorithmen entwickeln, Endnutzer, die die Software für kommerzielle biotechnologische Anwendungen testen, und ein Unternehmen für komplexe Systemmodellierung zusammen, um den integrierten Code-Rahmen zu entwickeln. BIOPREDYN lieferte die erforderlichen Instrumente und Methoden für die Berechnung zeit- und raumabhängiger biologischer Daten. Mit diesen Techniken wurden komplexe Signalwege wie die Enzymregulation auf Stoffwechsel-, Transkriptions-, Signaltransduktions- und Entwicklungsebene analysiert. So gelang es schließlich, genauere und bessere Simulationsergebnisse als mit aktuellen Modellierungssystemen zu erhalten. Die BioPreDyn-Software-Suite steht unter BIOPREDYN-Labor Webseite frei zur Verfügung und umfasst die Software-Tools Path2Models, SBML qualitative Modelle, BioServices, Cyrface, CySBGN, CellNOptR, SBGN-ML und LibSBGN sowie MIDER. Um die Methoden zu bewerten und zu vergleichen, führten die Projektpartner mehrere komplexe Parameterberechnungen durch, u.a. zur Kinetik des bakteriellen E. coli, der Bäckerhefe S. cerevisiae, der Fruchtfliege D. melanogaster und einem generischen Signaltransduktionsnetzwerk. Inzwischen integrierten die beiden Endanwender die Software in ihre Produktionsstrategien und optimierten damit ihre Produktion. BIOPREDYN lieferte einen umfassenden Rahmen für die dynamische Simulation komplexer biologischer Signalwege, der in mehreren Fachbeiträgen vorgestellt wurde. Die Werkzeuge werden die systembiologische Forschung vereinfachen und die Wettbewerbsfähigkeit entsprechender Branchen steigern, nicht zuletzt auch in den Bereichen Ernährung, Landwirtschaft und Gesundheitswesen.
Schlüsselbegriffe
Dynamische Modellierung, Systembiologie, prädiktive Simulation, Modellierungsrahmen, BIOPREDYN, Parameterschätzung, optimale Versuchsplanung
