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Tomitas E-Cell
Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen
Sonja LorenzSommerakademie St. Johann 2002
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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
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In vivo
1
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In vivo
In vitro
11
1
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In vivo
In vitro
In silico1
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Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
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Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
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Metabolische Pfade (Ausschnitt)
1
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Simulation isolierter zellulärer Prozesse
Genregulation und Expression
Zellteilungszyklus
Mechanismen der Signaltransduktion
Circadiane Rhythmik bei Drosophila
Bakterielle Chemotaxis
•Quantitative Simulation biochemischer Stoffwechselpfade
1
•Qualitative Modelle
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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)
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E-Cell Projekt
E.coliErythrocyt
E-Reis
E-Neuron
ChloroplastMitochondrium
Circadiane Rhythmik
Diabetes mellitus
Myocard Modell
Zellzyklus
1
Mycoplasma genitalium
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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
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Das self-surviving Genom
Tomita, 2001
2
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Überblick: Metabolismus der E-Cell
Tomita, 2001
2
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Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
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Scomplex: Subkategorie eines Komplexes
binding reaction
vacant site
binding substance
Scomplex
Takahashi et al., 1998
3.1
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Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
![Page 18: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/18.jpg)
Substanz-Reaktor-Modell
Transformation Assoziation
Dissoziation2-Substrat-2-Produkt-Reaktion
Takahashi et al., 1998
3.1
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Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
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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
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Ontologie des E-Cell-Systems
Takahashi et al., 19983.1
![Page 22: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/22.jpg)
Mathematische Grundlagen
Takahashi et al., 1998
nSSS ,...,, 21
),...,,(
),...,,(
),...,,(
21
2122
2111
nnn
n
n
SSSfdtdS
SSSfdtdS
SSSfdtdS
............ jjii SS
i
iiSk ][
)][][1(
)][][1(][
)][][1(
)][][1(
][
IA
IA
IA
IAS
f
KIa
KAb
KI
KA
S
KIa
KAb
KI
KA
K
SV
3.2
![Page 23: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/23.jpg)
Objekt-orientiertes MVC-Modell
view
control
model
change
change
get data
update
Tomita et al., 1997
3.3
![Page 24: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/24.jpg)
Elementare Struktur des E-Cell-Systems
environment
interpreter
rule file
experiment controller
membrane
chromosome
cytoplasm
e-cell
Takahashi et al., 1998
3.3
![Page 25: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/25.jpg)
Informationsfluß in der E-Cell
Takahashi et al., 19983.3
![Page 26: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/26.jpg)
Simulationsumgebung der E-Cell
Takahashi et al., 1998
3.3
![Page 27: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/27.jpg)
Benutzeroberfläche
Tomita et al., 19973.4
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Glykolyse: Übersicht
2 ATP
4.1
![Page 29: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/29.jpg)
Glykolyse: Simulation
Zeit
ATP
?4.4.1
Glc-Entzug
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Glykolyse: im Detail
4.1
![Page 31: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/31.jpg)
Glykolyse: im Detail
4.1
![Page 32: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/32.jpg)
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4.1
![Page 33: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/33.jpg)
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4 ADP
4 ATP
4.1
![Page 34: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/34.jpg)
Glykolyse: im Detail
2 energieliefernde Schritte
4.1
Enol-
bzw. Pyruvat
![Page 35: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/35.jpg)
Glykolyse: im Detail
2 C3-Körper
2 Pyruvat
4 ADP
4 ATP
4.1
![Page 36: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/36.jpg)
4.2
Tomita, 2001
Human Erythrocyt
GlykolysePentosephosphatweg
Nucleotidmetabolismus
Membrantransport
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Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten! !
![Page 38: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/38.jpg)
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
![Page 39: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/39.jpg)
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
• Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle
![Page 40: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/40.jpg)
Ausblick
5
Mangel an quantitativen Daten
• Automatisierung der Informationssammlung
! !
• Modellierung der vollständigen Mycoplasma genitalium Zelle
• Identifikation neuer Enzym- und Transportergene
![Page 41: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/41.jpg)
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
![Page 42: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/43.jpg)
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
![Page 44: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/44.jpg)
![Page 45: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/45.jpg)
Numerische Integration
Takahashi et al., 2000
3.2
![Page 46: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/46.jpg)
Modellierung von Chromosomen und Genexpression
Takahashi et al., 19983.1
![Page 47: Tomitas E-Cell Software-Umgebung zur Simulation ganzer Zellen Sonja Lorenz Sommerakademie St. Johann 2002](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022020112/570491bf1a28ab14218d87af/html5/thumbnails/47.jpg)
Human Erythrocyt