Forschung und wissenschaftliches Rechnen - Beiträge zum - GWDG

PyBioS steht für die akademische Nutzung unter der URL http://pybios.molgen.mpg.de zur Verfügung.
1 Einleitung
Lebende Systeme weisen ein hohes Maß an Komplexität auf. Sie bestehen
aus einer Vielzahl von Komponenten, die in einer hochgradig organisierten
Weise miteinander interagieren. Baustein aller lebenden Systeme ist die Zelle,
deren Genom die Informationen aller Komponenten enthält, die für die
Aufrechterhaltung der zellulären Funktionen, wie Stoffwechsel, Regulation,
Struktur und Differenzierung erforderlich sind. Das konzertierte Zusammenspiel
all dieser Komponenten ist Grundlage für das Funktionieren des Organismus.
Kommt es zu einer Störung des Systems, z.B. aufgrund eines Gendefekts
oder anormaler Faktoren, so treten häufig Krankheiten oder Fehlentwicklungen
auf, sofern die Störung nicht kompensiert werden kann. Eine
neue Teildisziplin der Biologie, die Systembiologie, versucht nun, anhand
von Modellen dieser Systeme, die eine Vielzahl der Systemkomponenten und
deren Interaktionen beinhalten, diese genauer zu verstehen. Viele Eigenschaften
von komplexen Systemen ergeben sich nämlich erst durch die Interaktion
verschiedenster Systemkomponenten und lassen sich nicht direkt aus den einzelnen
Teilen ableiten.
Biologische Systeme haben viele unterschiedliche Komponenten, die recht
verschiedene Eigenschaften aufweisen. Zudem ist deren Interaktionsnetzwerk
oft stark verzweigt. So ist z.B. die Glykolyse nicht ausschließlich die Umsetzung
von Glukose in Pyruvat unter Energiegewinn, in Form von ATP und
Reduktionsäquivalenten, sondern viele Zwischenprodukte dieses Stoffwechselweges
fließen auch in andere Wege, wodurch das zelluläre Reaktionsnetzwerk
stark verzweigt ist.
Abb. 1 verdeutlicht wesentliche Abläufe eines zellulären Reaktionsnetzwerks,
wie es sich in eukaryotischen Zellen finden lässt. Viele Informationen
zu biochemischen Reaktionen, Stoffwechselwegen, Signaltransduktionswegen,
Genregulationen, Transportvorgängen usw. sind in der Fachliteratur
verfügbar. Das Erstellen gerade großer mathematischer Modelle anhand von
Literaturdaten ist jedoch recht mühsam und fehleranfällig. Daher ist es sinnvoll,
Datenbanken, die entsprechende Informationen bereitstellen, für diesen
Zweck zu nutzen. Primäres Ziel dieser Datenbanken ist es häufig, Informationen
einzelner Gene, die z.B. ein Biologe bei Expressionsanalysen als differentiell
exprimiert findet, in ihren funktionalen Kontext zu setzen, d.h. unmittelbare
Zusammenhänge aufzuzeigen und diese ggf. auch zu visualisieren oder
geeignet darzustellen. Dies können z.B. Informationen darüber sein, welche
biochemischen Reaktionen das Genprodukt katalysiert, welche anderen Gene
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