Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen

Präsentation zum Thema: "Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen"—  Präsentation transkript:

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

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

3 In vivo 1

4 1 1 In vivo In vitro 1

5 In vivo In vitro In silico 1

6 Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1

7 Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1

8 Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1

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

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

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

12 Mycoplasma genitalium: ein genomischer Minimalist
Grampositives, parasitäres Bakterium Vorkommen im Genital-und Respirationstrakt von Primaten Totalsequenzierung: Fraser et al., 1995 ! ! 580 kb Genom ca. 470 Gene 2

13 Das self-surviving Genom
Tomita, 2001 2

14 Überblick: Metabolismus der E-Cell
Tomita, 2001 2

15 Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 1998 3.1

16 Scomplex: Subkategorie eines Komplexes
vacant site binding substance Scomplex binding reaction Takahashi et al., 1998 3.1

17 Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 1998 3.1

18 Substanz-Reaktor-Modell
Transformation Assoziation Dissoziation 2-Substrat-2-Produkt-Reaktion 3.1 Takahashi et al., 1998

19 Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 1998 3.1

20 Strukturiertes Substanz-Reaktor-Modell
Reaktor in Supersystem Reaktor in Subsystem A B A A Transmembranärer Transport Reaktor in externem System Takahashi et al., 1998 3.1

21 Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 1998 3.1

22 Mathematische Grundlagen
Takahashi et al., 1998 3.2

23 Objekt-orientiertes MVC-Modell
view control model change get data update Tomita et al., 1997 3.3

24 Elementare Struktur des E-Cell-Systems
environment interpreter rule file experiment controller membrane chromosome cytoplasm e-cell Takahashi et al., 1998 3.3

25 Informationsfluß in der E-Cell
3.3 Takahashi et al., 1998

26 Simulationsumgebung der E-Cell
Takahashi et al., 1998 3.3

27 Benutzeroberfläche 3.4 Tomita et al., 1997

28 Glykolyse: Übersicht 2 ATP 4.1

29 Glykolyse: Simulation
Zeit ATP ? Glc-Entzug 4.1 4.

30 Glykolyse: im Detail 4.1

31 Glykolyse: im Detail 4.1

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

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

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

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

36 Nucleotidmetabolismus
Human Erythrocyt Glykolyse Pentosephosphatweg Membrantransport Nucleotidmetabolismus Tomita, 2001 4.2

37 Mangel an quantitativen Daten
Ausblick ! ! Mangel an quantitativen Daten 5

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

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

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

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

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

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

44

45 Numerische Integration
Takahashi et al., 2000 3.2

46 Modellierung von Chromosomen und Genexpression
3.1 Takahashi et al., 1998

47 Human Erythrocyt