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Zelluläre Signalprozesse besser verstehen

12.03.2012
Charité – Wissenschaftler entwickeln neues Verfahren

Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin und der amerikanischen Gesundheitsforschungsbehörde National Institutes of Health (NIH) haben ein realitätsnahes Modell zur Erklärung zellulärer Signalprozesse entwickelt.


Eine simulierte Zelle baut einen Kontakt mit einer benachbarten Zelle (nicht im Bild) auf. Die Simulation zeigt die dynamische Verteilung des den Zellkontakt vermittelnden Proteins E-cadherin auf der Zellmembran über 1h (blau: niedrige, rot: hohe Konzentration).

Dieses neue Verfahren soll nun zur systembiologischen Analyse der Funktion von Herzmuskelzellen und zur Modellierung bestimmter Daten aus Tumorgewebe von Lungenkrebspatienten eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Arbeit sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Methods* veröffentlicht.

Die Stoffwechsel- und Regulationswege der Zelle sind durch eine große Anzahl interagierender Komponenten gekennzeichnet. Um diese komplexen Systeme besser zu verstehen und Vorhersagen über das ganzheitliche Verhalten biologischer Systeme machen zu können, bedarf es der detaillierten mathematischen Beschreibung der zellulären Vorgänge. In ihrer Arbeit stellen die Wissenschaftler nun ein neuartiges Verfahren zur Modellierung und Simulation von zellulären Signalprozessen vor.

Mit der beschriebenen Methode ist es erstmals möglich, dynamische biochemische und morphologische Veränderungen realistisch miteinander zu koppeln. Dies erlaubt es, aus Experimenten gewonnene biologische Erkenntnisse, beispielsweise über das Zusammenspiel einzelner Moleküle, realitätsnah in Computermodelle zu übersetzen. „Ein weiterer Vorteil unserer Methode ist die Anwenderfreundlichkeit der Software.

Sie erlaubt es auch Medizinern und Biologen ohne mathematisch-physikalische Kenntnisse, komplexe biologische Modelle zu entwerfen oder zu modifizieren“, erläutert Dr. Frederick Klauschen vom Institut für Pathologie der Charite.

Mit diesen Modellen können dann am Computer Experimente durchgeführt werden, die es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, Gedankenmodelle und Hypothesen über die Funktionsweise von physiologischen und pathologischen Prozessen zu testen. Beispielsweise kann man auf diese Weise nachvollziehen, was mit dem modellierten Signalnetzwerk in einer Zelle passiert, wenn man ein einzelnes Molekül verändert (mutiert).

So kann das Verfahren in Zukunft einen wertvollen Beitrag zur „personalisierten Medizin“ leisten, indem es die Ergebnisse der molekularpathologischen Diagnostik in einen systembiologischen Ansatz integriert und so ein besseres Verständnis der pathologischen Veränderungen erlaubt.

*Angermann BR, Klauschen F, Garcia AD, Prustel T, Zhang F, Germain RN, Meier-Schellersheim M. Computational modeling of cellular signaling processes embedded into dynamic spatial contexts.

Nat Methods. 2012 Jan 29;9(3):283-9. doi:10.1038/nmeth.1861. PubMed PMID: 22286385.

Kontakt:
Dr. Frederick Klauschen
Institut für Pathologie/CCM
Charité – Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 536 053
frederick.klauschen[at]charite.de

Dr. Julia Biederlack | idw
Weitere Informationen:
http://www.charite.de
http://www.nature.com/nmeth/journal/v9/n3/full/nmeth.1861.html
http://www.nature.com/nmeth/journal/v9/n3/covers/index.html

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