Direkt zum InhaltDirekt zur SucheDirekt zur Navigation
▼ Zielgruppen ▼

Humboldt-Universitaet zu Berlin - Collaborative Research Center for Theoretical Biology

Design, Dynamik und evolutionäre Optimierung zellulärer Reaktionsnetzwerke

Sowohl auf zellulärer als auch organismischer Ebene sind die biochemischen Reaktionen in Netzwerken organisiert (z.B. Metabolische Netzwerke, Signalkaskaden). In metabolischen Reaktionswegen werden die zur Aufrechterhaltung der unterschiedlichen Zellfunktionen erforderlichen stofflichen Komponenten (ATP, NADH; Aminosäuren etc.) bereitgestellt. Netzwerke der Signaltransduktion steuern fast alle grundlegenden zellulären Prozesse wie Zellteilung, Zelldifferenzierung, Zellbewegung, Zelltod sowie die Interaktion von Zellen in Geweben und Organen. Beide Typen von Netzwerke zeichnen sich durch eine hohe Zahl von beteiligten Einzelreaktionen aus. Bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften unterscheiden sie sich u. a. dadurch, dass metabolische Systeme in der Regel stationäre Stoffflüsse aufrechterhalten, während in Signalketten die einzelnen Komponenten temporär aktiviert werden, was z. B. mit einem räumlich gerichteten Informationsfluss von der Plasmamembran in den Zellkern verbunden ist.

Diesem Teilprojekt liegt die Vorstellung zu Grunde, dass sich Reaktionsnetzwerke der lebenden Zelle von chemischen Netzwerken der unbelebten Natur wesentlich dadurch unterscheiden, dass sich im Verlauf der biologischen Evolution durch Mutation und Selektion besondere Reaktionsabfolgen herausgebildet haben, die ihre Funktion im Verbund mit anderen Teilprozessen ermöglichen. Dementsprechend beabsichtigen wir, das strukturelle und kinetische Design von zellulären Netzwerken aus evolutionären Optimierungskriterien abzuleiten. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Signaltransduktionswege mit einfacher und komplexer Netzwerkstruktur. Dabei werden Methoden weiterentwickelt, die bei vorangegangenen Arbeiten zur Optimierung metabolischer Netzwerke eingesetzt wurden (insbesondere evolutionäre Algorithmen). Es werden verschiedene Kriterien getestet, die sich auf Signalamplituden, Dauer und Zeitpunkt der Signalwirkung sowie der dynamischen Stabilität der unstimulierten Zustände beziehen und deren Optimierung Aufschlüsse über den Zusammenhang zwischen dem Design und der Dynamik von Signaltransduktionswegen liefert.

Die erfolgreiche Bearbeitung dieser Fragestellungen erfordert den Vergleich mit experimentellen Daten und eine genaue Kenntnis realer Netzwerke. Zu diesem Zweck wird, gemeinsam mit Experimentatoren, jeweils ein komplexes metabolisches Netzwerk und ein Signaltransduktionsweg modelliert (Energiestoffwechsel in Hefezellen bzw. Wnt/-catenin Signalweg). Weiterhin werden am Beispiel dieser Netzwerke allgemeine Prinzipien der evolutionären Optimierung getestet. Das Konzept der Kontrolltheorie metabolischer Systeme wird so erweitert, dass es sich zur quantitativen Charakterisierung der Regulation von Signalketten eignet. In diesem Zusammenhang erfolgt auch ein detaillierter Vergleich zwischen den dynamischen und strukturellen Eigenschaften beider Arten von Netzwerken.