Computational Systems Biotechnology 2

 
Dozent: Prof. Dr. Wolfgang Wiechert, Dr.-Ing. Stephan Noack
Vorlesung: 3 Stunde(n)
Übung: 2 Stunde(n)
Vorlesungstermine: Entnehmen Sie bitte dem RWTHOnline
Vorlesungsunterlagen: Werden über SCIEBO bereit gestellt
Vorlesungssemester: Sommersemester
Sprache: Deutsch
Art der Prüfung: Mündlich

Die (molekulare) Systembiologie (SB) ist ei­ne noch jun­ge Teildisziplin der Biologie. Aus Ingenieur­sicht setzt die SB die Methoden der Verfahrenstech­nik konsequent in das Innere der Zelle fort. Sie befasst sich mit der Struktur und Funktion der komplexen Wech­­­sel­wir­kungs­netzwerke im Innern ei­ner Zelle. Ausgangspunkt der SB sind die heu­te verfügbaren Hoch­­durchsatz-Meß­me­tho­den („omics“ Methoden), mit de­nen ge­netische und metabolische Prozesse in ihrem Zusammenspiel in vivo detailliert untersucht wer­­den können. Die hier­mit ge­nerierten um­­fang­rei­chen Datensät­ze werden mit Hilfe mathematischer Modelle aus­ge­wertet und führen damit zu einem vertieften Systemverständnis. Die Modelle ermöglichen darüber hinaus Vorhersagen, z.B. für die Optimie­rung von Produktionsorganismen oder für den gezielten Entwurf neuer aussagekräftiger Experimente. Die SB ist damit auch eine wichtige Grundlage der Synthetischen Biologie.

Die beiden voneinander unabhängigen Lehrveranstaltungen CSB 1&2 werden (derzeit in deutscher Sprache) fachübergreifend angeboten (CSB 1 im SS, CSB 2 im WS). Der Schwerpunkt liegt auf rechnergestützten Aspekten der Systembiologie, da experimentelle und bioanalytische Grundlagen in anderen Vorlesungen vermittelt werden. Das Niveau der Darstellung ist so gewählt, dass Studenten aus unterschiedlichen Studiengängen inhaltlich folgen können. Dazu werden spezifische Lernmodule zur Auffrischung mathematischer bzw. biologischer Inhalte eingeschoben bzw. flankierende Literatur fallabhängig bereitgestellt. Die Vorlesungen integrieren Vortragseinheiten mit Übungsaufgaben und Kurzprojekten, die mit Hilfe verschiedener Softwaresysteme (MATLAB, Omix, Madonna, Maple etc.) bearbeitet werden.

CSB 2 befasst sich mit der Modellierung des dynamischen und steady state Verhaltens biochemischer Netzwerke auf Grundlage von Differentialgleichungssystemen. Zur Beschreibung der einzelnen Reaktionsschritte werden verschiedene kinetische Modellansätze verwendet. Ziel ist es, zu verstehen wie le­ben­de Zellen ihren physiologischen Zustand einstellen und regulieren. CSB 2 ist mathematisch anspruchsvoller als CSB 1. Für das Verständnis der Methoden sind Kenntnisse der Linearen Algebra (Matrizenrechnung, Eigenwerte) sowie der mehrdimensionalen Differentialrechnung (par­tielle Ableitung und Jacobi-Matrix) erforderlich. Ingenieure benötigen keine vertieften Biologie-Kenntnisse. Wesentliche Themen der Ver­an­staltung sind:

  1. Grundlegende Konzepte
  • Allgemeines Netzwerkmodell
  • Stabilitäts- & Sensitivitätsanalyse
  • Simulations- & Analyse-Werkzeuge
  1. Fortgeschrittene Enzymkinetik
  • Quasi Steady State Annahme
  • Herleitung von Enzymkinetiken
  • Alternative kinetische Formate
  1. Metabolische Regulation
  • einfache Regulationsarchitekturen
  • Metabolische Kontrollanalyse
  • Große metabolische Netzwerke
  1. Genetische Regulation
  • Genetische Regelkreise
  • Signaltransduktion
  1. Umgang mit fehlender Information
  • Parameterschätzung & Vorhersage
  • Versuchsplanung
  • Modellvereinfachung
  1. Stochastische Modellierung
  • SSA Formalismus
  • Gillespie Algorithmus
  • Einfache Beispiele
  1. Reaktions-Diffusions-Systeme