Mathematisches Modell haucht systembiologischen Daten Sinn ein Dem Zellstoffwechsel auf der Spur - scinexx | Das Wissensmagazin
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Mathematisches Modell haucht systembiologischen Daten Sinn ein

Dem Zellstoffwechsel auf der Spur

Wie funktioniert eine Zelle? Um das herauszufinden, versuchen Systembiologen aus einer Vielzahl von einzelnen Daten über Unteraspekte des Zellstoffwechsels ein Gesamtbild zu erstellen. Eine neue mathematische Methode erlaubt es nun erstmals, ein ganzheitliches Bild des Stoffwechsels zu erhalten.

Systembiologen erheben große Mengen an Daten, die eine Momentaufnahme des Stoffwechsels in Zellen darstellen. Diese mit neuesten Hochdurchsatz-Messgeräten gewonnenen Informationen allein sagen jedoch noch nichts über die tatsächlichen Vorgänge in der Zelle aus. Mit anderen Worten: Der Sinn hinter den Daten blieb bislang verborgen. Vor diesem Hintergrund entwickelte Anne Kümmel im Bioprozesslabor von Professor Sven Panke am Institut für Molekulare Systembiologie der ETH Zürich eine mathematische Methode, die es zum ersten Mal erlaubt, Stoffwechsel-Regulationen in Zellen ganzheitlich zu erfassen.

Thermodynamik hilft Engpässe aufspüren

Network-Embedded Thermodynamic Analysis (im Netzwerk eingebettete thermodynamische Analyse, NET-Analyse) nennt sich die Methode. Wie der Name schon andeutet, stützt sie sich auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Dieser besagt im Wesentlichen, dass Perpetuum Mobiles unmöglich sind, und dass bei jeglicher Energieumwandlung ein Energierest – die Entropie – in Form unnutzbarer Wärme verloren geht.

“Wir analysieren hier Daten, von denen wir nicht wissen, was sie im Detail bedeuten. Mit Hilfe des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik gelingt es uns, diesen Daten biologischen Sinn einzuhauchen“, erläutert Matthias Heinemann, Mitautor der Studie, die Idee hinter dem Ansatz. Konkret erkennt die NET-Analyse, wo in der Stoffwechselmaschinerie gerade Engpässe auftreten. Diese Engpässe sind das Resultat von komplexen Regulationsmechanismen, die nun systematisch untersucht werden können.

Wie ein Straßenverkehrsnetz

Das Stoffwechselnetzwerk einer Zelle lässt sich mit einem Straßenverkehrsnetz vergleichen, das von einem Verkehrsleitsystem überwacht und kontrolliert wird, dessen Funktionsweise man aber nicht kennt. Die Stoffwechselprodukte entsprechen in diesem Vergleich den Fahrzeugen. Die Messung der Verkehrsdichte an verschiedenen Stellen gibt nun Hinweise darauf, wo das Leitsystem eingreift und den Verkehr drosselt.

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Auf analoge Weise ermittelt die NET-Analyse aus den Konzentrationen von Stoffwechselprodukten in einer Zelle, an welchen Stellen der Stoffwechsel reguliert wird. Bereits hat die Gruppe mit der neuen Methode eine Reihe bislang unbekannter Regulierungsorte entdeckt. In einem Kommentar zur Arbeit in „Molecular Systems Biology“ wird die NET-Analyse als „das erste überzeugende Beispiel“ dafür bezeichnet, wie aus quantitativen Stoffwechsel-Daten echte biologische Erkenntnis gewonnen werden kann.

(ETH Zürich, 10.07.2006 – NPO)

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