Forschung und wissenschaftliches Rechnen - Beiträge zum - GWDG

oder Proteine dieses Gen als Transkriptionsfaktor oder Cofaktor beeinflußt
oder durch welche es unmittelbar beeinflußt wird oder in welchem Umfeld
innerhalb des Genoms das Gen liegt. Zudem zeigen diese Datenbanken auch
die Position eines Gens im zellulären Reaktionsnetzwerk, z.B. an welchen
Stoffwechsel- oder Signaltransduktionswegen es beteiligt ist oder in welchen
Kompartimenten das Genprodukt vorkommt. Was diese Datenbanken natürlich
nicht können, ist, die Einflüsse einer oder mehrerer Komponenten auf das
Verhalten des gesamten Systems abzubilden.
Hierfür ist es erforderlich das dynamische Verhalten des Systems zu betrachten.
Die dazu erforderlichen topologischen Daten stehen in den oben
genannten Datenbanken zur Verfügung. Desweiteren sind für die deterministische
mathematische Modellierung kinetische Gesetze und entsprechende
Parameter erforderlich. Hierfür gibt es derzeit noch wenige Datenbanken, die
man für die Automatisierung der Modellierung nutzen kann. Daher muss man
häufig auf Literaturdaten oder experimentelle Daten zurückgreifen oder plausible
Annahmen machen. Für die deterministische Modellierung kann anhand
dieser Informationen ein mathematisches Modell in Form eines Differentialgleichungssystems
erstellt werden. Für das Verhalten dieses Modells sind zudem
noch die Anfangsbedingungen, die durch die Startwerte der Systemvariablen
gegeben sind, entscheidend. Diese Werte können ebenfalls der Literatur
entnommen oder experimentell ermittelt werden. Insbesondere stehen
seit einigen Jahren verschiedene, neue Hochdurchsatzverfahren der Genom-,
Transkriptom-, Proteom- und Metabolomforschung zur Verfügung mit Hilfe
derer geeignete Werte für die Erstellung auch großer Modelle gewonnen werden
können. Zudem liefert die Auswertung dieser experimentellen Ergebnisse
häufig noch eine Vielzahl neuer Zusammenhänge zwischen Modellkomponenten,
die ebenfalls in die Modelltopologie einfließen können.
Für die Modellierung und Simulation biochemischer Reaktionsnetzwerke
gibt es bereits verschiedene spezialisierte Programm, wie z.B. Gepasi (Mendes
1993, Mendes 1997), Virtual Cell (Loew & Schaff 2001, Slepchenko, Schaff,
Macara & Loew 2003), E-Cell (Tomita, Hashimoto, Takahashi, Shimizu, Matsuzaki,
Miyoshi, Saito, Tanida, Yugi, Venter & Hutchison 1999, Takahashi,
Ishikawa, Sadamoto, Sasamoto, Ohta, Shiozawa, Miyoshi, Naito, Nakayama
& Tomita 2003), oder die Systems Biology Workbench (Hucka, Finney,
Sauro, Bolouri, Doyle & Kitano 2002). Alle diese Programme bieten jedoch
bisher keine direkte Anbindung an Datenbanken, wodurch gerade die Erstellung
von großen Modellen schwierig bzw. unmöglich ist. Zudem sind viele
dieser Programme nicht dafür ausgelegt Systeme mit mehreren hundert oder
tausend Differentialgleichungen zu handhaben.
In dieser Arbeit beschreibe ich das Modellierungs- und Simulationssystem
PyBioS, das sich gerade durch die Anbindung von Datenbanken für die Modellpopulierung
von anderen Systemen wesentlich unterscheidet. Eine Web-
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