Tomitas E-Cell€¦ · •Microbial Cell Project (MCP) •Smartcell (Serrano) E-Cell Projekt E.coli...
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Tomitas E-Cell
Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen
Sonja LorenzSommerakademie St. Johann 2002
2 Mycoplasma genitalium: Konstruktion einer hypothetischen Minimalzelle
1 Einführung: in vivo - in vitro - in silico
3 E-Cell-Simulationssystem
3.1 Ontologie
3.3 Software-Architektur
3.4 Benutzeroberfläche
4 Virtuelle Experimente
4.1 Glykolyse
4.2 Human Erythrocyt
5 Ausblick
3.2 Mathematische Grundlagen
In vivo
1
In vivo
In vitro
11
1
In vivo
In vitro
In silico1
Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
Simulation isolierter zellulärer Prozesse
Genregulation und Expression
Zellteilungszyklus
Mechanismen der Signaltransduktion
Circadiane Rhythmik bei Drosophila
Bakterielle Chemotaxis
•Quantitative Simulation biochemischer Stoffwechselpfade
1
•Qualitative Modelle
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)
E-Cell Projekt
E.coliErythrocyt
E-Reis
E-Neuron
ChloroplastMitochondrium
Circadiane Rhythmik
Diabetes mellitus
Myocard Modell
Zellzyklus
1
Mycoplasma genitalium
Mycoplasma genitalium: ein genomischer Minimalist
•Totalsequenzierung: Fraser et al., 1995
580 kb Genom
•Grampositives, parasitäres Bakterium
•Vorkommen im Genital-und Respirationstrakt von Primaten
2
!! ca. 470 Gene
Das self-surviving Genom
Tomita, 2001
2
Überblick: Metabolismus der E-Cell
Tomita, 2001
2
Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
Scomplex: Subkategorie eines Komplexes
binding reaction
vacant site
binding substance
Scomplex
Takahashi et al., 1998
3.1
Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
Substanz-Reaktor-Modell
Transformation Assoziation
Dissoziation2-Substrat-2-Produkt-Reaktion
Takahashi et al., 1998
3.1
Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
Strukturiertes Substanz-Reaktor-Modell
Reaktor in Supersystem Reaktor in Subsystem
Transmembranärer Transport Reaktor in externem System
Takahashi et al., 1998
3.1
A B A B
A B
AA
Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
Mathematische Grundlagen
Takahashi et al., 1998
{ }nSSS ,...,, 21
),...,,(
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),...,,(
21
2122
2111
nnn
n
n
SSSfdtdS
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=
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Λ
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i
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IA
IA
IA
IAS
f
KIa
KAb
KI
KA
S
KIa
KAb
KI
KA
K
SV
αβ
αβ
αβ
ν
++
+++
++
++
∗=
3.2
Objekt-orientiertes MVC-Modell
view
control
model
change
change
get data
update
Tomita et al., 1997
3.3
Elementare Struktur des E-Cell-Systems
environment
interpreter
rule file
experimentcontroller
membrane
chromosome
cytoplasm
e-cell
Takahashi et al., 1998
3.3
Informationsfluß in der E-Cell
Takahashi et al., 19983.3
Simulationsumgebung der E-Cell
Takahashi et al., 1998
3.3
Benutzeroberfläche
Tomita et al., 19973.4
Glykolyse: Übersicht
2 ATP
4.1
Glykolyse: Simulation
Zeit
ATP
4.4.1
Glc-Entzug
Glykolyse: im Detail
4.1
Glykolyse: im Detail
4.1
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4.1
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4 ADP
4 ATP
4.1
Glykolyse: im Detail
2 energieliefernde Schritte
4.1
Enol-
bzw. Pyruvat
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4 ADP
4 ATP
4.1
4.2
Tomita, 2001
Human Erythrocyt
GlykolysePentosephosphatweg
Nucleotidmetabolismus
Membrantransport
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten! !
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
• Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
• Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle
• Identifikation neuer Enzym- und Transportergene
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
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
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
Numerische Integration
Takahashi et al., 2000
3.2
Modellierung von Chromosomen und Genexpression
Takahashi et al., 19983.1
Human Erythrocyt