Online Publikation - im ZESS - Universität Siegen

MODELLIERUNG METABOLISCHER NETZWERKE 23
genschaften der Systemkomponenten. Der Nachteil bei den mechanistischen Modellen
ist die Vielzahl der Parameter, die angepasst werden müssen und oftmals redundant
sind [Wastney et al., 1999].
Generell findet man für die Erstellung eines Modells für die Zelle (mit der Komple-
xität einer Boing 777) zwei Herangehensweisen, die hier Top-Down und Bottom-Up
genannt werden (Abb. 3.1). Mit der Top-Down Methode versucht man ein Modell zu
erstellen, das möglichst viele Eigenschaften der Zelle berücksichtigt, wodurch ein rie-
siges Netzwerk entsteht in dem versucht wird alle relevanten Prozesse abzubilden.
Nachdem erstmalig ein solches Modell erstellt wurde, wird es durch Modellanalyse
und Simulation untersucht. In einem iterativen Prozess wird dann das Reaktionsnetz-
werk reorganisiert um sich dem gewünschten Modellverhalten zu nähern. Ein Problem
dieses Ansatzes ist, dass nicht genug qualitative und quantitative Daten zur Validie-
rung zur Verfügung stehen.
Die Bottom-Up Methode versucht hingegen sich an gesicherten Erkenntnissen zu
orientieren. Basierend auf einem oder mehreren in-vivo Experimenten wird ein Modell
erstellt, dass das Experiment nachbilden soll. Angefangen wird mit einem einfachen
Modell mit wenigen Metaboliten und Reaktionen. Auch bei dieser Methode wird in
einem iterativen Prozess durch Modellanalyse und Simulation das Modell getestet.
Darauf aufbauend werden weitere leicht verbesserte Modelle erstellt.
3.2. Problematik der Modellbildung biologischer Systeme
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In diesem Abschnitt soll an einer weiteren Problematik (wie bereits in Kap. 1.2) die
Notwendigkeit von in vivo Messdaten zur Validierung von metabolischen Modellen
gezeigt werden.
Einer der bekanntesten Reaktionsschritte im Zentralstoffwechsel, ist die
sog. Phosphofruktokinase-Reaktion (Abb. 3.2). Dieses Enzym wandelt den Metaboli-
ten Fru6P in Fru16P um, wird aber von vielen anderen Stoffen in der Zelle beeinflusst.
In der Literatur findet man neben den Co-Faktoren ATP und ADP noch weit mehr als
30 Stoffe, die möglicherweise bei dieser Reaktion eine Rolle spielen. Dies macht die
Problematik bei der Modellbildung deutlich. Damit ein Modell nicht zu kompliziert
wird, und zu viele unbestimmte Parameter enthält, muss der Modellierer empirisch
entscheiden, welche Metabolite einen relevanten und welche einen vernachlässigbaren
Einfluss auf das Enzym ausüben.