Forschung und wissenschaftliches Rechnen - Beiträge zum - GWDG

PyBioS – ein Modellierungs- und Simulationssystem
für komplexe biologische Prozesse
Christoph Wierling
Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik, Berlin
Zusammenfassung
Mathematische Modellierung und Simulationstechniken sind wichtige Instrumente, die wesentlich
zum Verständnis komplexer biologischer Systeme beitragen. In dieser Arbeit stelle ich das
in der Programmiersprache Python geschriebene, objektorientierte und Web-basierte System
PyBioS vor, das für die Modellierung, Simulation und Analyse biologischer Reaktionsnetzwerke
im Bereich der Systembiologie konzipiert ist. Die Ontologie des Systems definiert verschiedene
Klassen, die den wesentlichen zellulären und molekularen Komponenten, wie Zelle, Kompartiment,
Gen, Protein, Enzym, Metabolit, usw. entsprechen. Dadurch können hierarchisch strukturierte
Modelle, die sich an zytologischen und molekularen Strukturen orientieren, erstellt werden.
Durch eine flexible, generalisierte Schnittstelle ist es möglich, verschiedene Datenbanken
und Datenquellen direkt für die Modellierung nutzbar zu machen. Dies umfasst Datenbanken,
die Informationen zu biochemischen Reaktionen, Signaltransduktionswegen, Transportprozessen,
Genregulationen oder anderen zellulären Prozessen enthalten. Derzeit existieren Schnittstellen
zu den Datenbanken KEGG, Reactome und Transpath. Durch die direkte Datenbankanbindung
unterstützt PyBioS auf diese Weise den Benutzer gerade auch bei der Erstellung, Simulation
und Analyse großer Modelle. Anhand des objektorientierten Modells, das Informationen
der Reaktionen und ihrer Kinetiken beinhaltet, kann PyBioS automatisch ein entsprechendes
gewöhnliches Differentialgleichungssystem erstellen und dieses ggf. anhand von Erhaltungsbedingungen
vereinfachen. Das mathematische Modell wird dann wiederum für Simulationen oder
Analyse-Verfahren, wie dem Parameter-Scanning, verwendet. Das mathematische Modell kann
zudem als Python-Programm exportiert und weiter extern genutzt werden. Die hierarchisch organisierten
Modelle werden in einer objektorientierten Datenbank, welche zudem auch als Modell-
Repositorium dient, gespeichert. Durch Export/Import Möglichkeiten für das XML-basierte Format
SBML (Systems Biology Markup Language) besteht Kompatibilität zu anderen Plattformen.
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