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Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002.

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Präsentation zum Thema: "Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002."—  Präsentation transkript:

1 Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002

2 2Mycoplasma genitalium: Konstruktion einer hypothetischen Minimalzelle 1Einführung: in vivo - in vitro - in silico 3E-Cell-Simulationssystem 3.1Ontologie 3.3Software-Architektur 3.4Benutzeroberfläche 4Virtuelle Experimente 4.1Glykolyse 4.2Human Erythrocyt 5Ausblick 3.2 Mathematische Grundlagen

3 In vivo 1

4 In vitro 11 1

5 In vivo In vitro In silico 1

6 Metabolische Pfade (Ausschnitt) 1

7 1

8 1

9 Simulation isolierter zellulärer Prozesse Genregulation und Expression Zellteilungszyklus Mechanismen der Signaltransduktion Circadiane Rhythmik bei Drosophila Bakterielle Chemotaxis Quantitative Simulation biochemischer Stoffwechselpfade 1 Qualitative Modelle

10 Integrative Modelle ganzer Zellen DBSolve (Goryanin et al. 1997) V-Cell (Schaff et al., 1999) E-Cell (Tomita et al.,1997) 1 Erythrocyten-Modelle (Palsson et al., 1989; Lee et al., 1992; Ni et al., 1996) Alliance For Cellular Signaling (AFCS) Microbial Cell Project (MCP) Smartcell (Serrano)

11 E-Cell Projekt E.coli Erythrocyt E-Reis E-Neuron Chloroplast Mitochondrium Circadiane Rhythmik Diabetes mellitus Myocard Modell Zellzyklus 1 Mycoplasma genitalium

12 Mycoplasma genitalium: ein genomischer Minimalist Totalsequenzierung: Fraser et al., kb Genom Grampositives, parasitäres Bakterium Vorkommen im Genital-und Respirationstrakt von Primaten 2 !! ca. 470 Gene

13 Das self-surviving Genom Tomita,

14 Überblick: Metabolismus der E-Cell Tomita,

15 Ontologie des E-Cell-Systems Takahashi et al.,

16 Scomplex: Subkategorie eines Komplexes binding reaction vacant site binding substance Scomplex Takahashi et al.,

17 Ontologie des E-Cell-Systems Takahashi et al.,

18 Substanz-Reaktor-Modell TransformationAssoziation Dissoziation 2-Substrat-2-Produkt-Reaktion Takahashi et al.,

19 Ontologie des E-Cell-Systems Takahashi et al.,

20 Strukturiertes Substanz-Reaktor-Modell Reaktor in SupersystemReaktor in Subsystem Transmembranärer TransportReaktor in externem System Takahashi et al., AB A B AB AA

21 Ontologie des E-Cell-Systems Takahashi et al.,

22 Mathematische Grundlagen Takahashi et al.,

23 Objekt-orientiertes MVC-Modell view control model change get data update Tomita et al.,

24 Elementare Struktur des E-Cell-Systems environment interpreter rule file experiment controller membrane chromosome cytoplasm e-cell Takahashi et al.,

25 Informationsfluß in der E-Cell Takahashi et al.,

26 Simulationsumgebung der E-Cell Takahashi et al.,

27 Benutzeroberfläche Tomita et al.,

28 Glykolyse: Übersicht 2 ATP 4.1

29 Glykolyse: Simulation Zeit ATP ? Glc-Entzug

30 Glykolyse: im Detail 4.1

31 Glykolyse: im Detail 4.1

32 Glykolyse: im Detail 2 C3-Körper 2 Pyruvat 4.1

33 Glykolyse: im Detail 2 C3-Körper 2 Pyruvat 4 ADP 4 ATP 4.1

34 Glykolyse: im Detail 2 energieliefernde Schritte 4.1 Enol- bzw. Pyruvat

35 Glykolyse: im Detail 2 C3-Körper 2 Pyruvat 4 ADP 4 ATP 4.1

36 4.2 Tomita, 2001 Human Erythrocyt Glykolyse Pentosephosphatweg Nucleotidmetabolismus Membrantransport

37 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten !!

38 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung !!

39 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung !! Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle

40 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung !! Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle Identifikation neuer Enzym- und Transportergene

41 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung Herstellung lebensfähiger Zellen mit signifikant reduziertem Genom !! Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle Identifikation neuer Enzym- und Transportergene

42 5 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung Herstellung lebensfähiger Zellen mit signifikant reduziertem Genom Simulation pathologischer Prozesse Individuelle Behandlungsmethoden (customized medicine) !! Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle Identifikation neuer Enzym- und Transportergene

43 Ausblick 5 Mangel an quantitativen Daten Automatisierung der Informationssammlung Herstellung lebensfähiger Zellen mit signifikant reduziertem Genom => Ganzheitliches Verständnis der Dynamik des zellulären Metabolismus Simulation pathologischer Prozesse Individuelle Behandlungsmethoden (customized medicine) !! Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle Identifikation neuer Enzym- und Transportergene

44

45 Numerische Integration Takahashi et al.,

46 Modellierung von Chromosomen und Genexpression Takahashi et al.,

47 Human Erythrocyt


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