Mathetower, E28

Viele biologische und biomedizinische Fragestellungen sind in ihrem Kern Multi-Skalenprobleme: von der Molekularbiologie über die Zelle über das Organ bis hin zur Physiologie eines Organismus. Der zentrale Ansatz der Systembiologie verfolgt dabei das Ziel, Funktionalität im Sinne von Systemeigenschaften auf der Basis molekularer Interaktionen mit Hilfe von mathematischer Modellierung zu untersuchen. Zu diesem Zweck müssen skalenüberbrückende Modellierungskonzepte entwickelt werden. An einem Beispiel aus der Mikrobiologie, der Chemotaxis von Escherichia coli Bakterien, wird ein derartiges Konzept vorgestellt und mit Hilfe experimenteller Daten aus einem Kollaborationsprojekt mit dem Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg abgeglichen. Mit Hilfe dieses Multi-Skalen Modellierungsansatzes konnten plausible Hypothesen über zentrale evolutionäre Optimalitätsprinzipien der Bakterien gewonnen werden. Als zweites Beispiel wird die Modellierung raumzeitlicher Strukturbildung in Form von metabolischen Wellen und Oszillationen in menschlichen Immunzellen vorgestellt. Multi-Skalen Modelle sind allgemein selten in analytischer Form ableitbar, so dass numerische Methoden des Wissenschaftlichen Rechnens zum Einsatz kommen. Ein wichtiges Konzept dabei ist die Modellreduktion, um detaillierte mikroskopische Modelle auf die nächst höhere Modellierungsebene zu transferieren. Es wird ein neues und sehr leistungsfähiges Verfahren zur automatischen numerischen Berechnung reduzierter Modelle (bio)chemischer Kinetik präsentiert.

PD Dr. Dirk Lebiedz

ZBSA Universität Freiburg