Dem Leben auf der Spur mit Hilfe von Mathematik und Computern

Kann die Systembiologie per Computer Leben simulieren?

Das Leben beginnt mit einer einzigen Zelle und endet mit dem Tod von Milliarden Zellen. In der Zwischenzeit ist der Mensch ist keine zufällige Anhäufung von Zellen, sondern eine gut koordinierte Organisation von etwa 200 Zellarten. Darunter solche, die für den Bau und den Betrieb der Fachabteilungen, den Organen, zuständig sind. Weitere Spezialisten für die Infrastruktur und die Kommunikation im Körper sind z.B. Nervenzellen zur Übermittlung von Schmerzsignalen oder Blutkörperchen zum Transport von Sauerstoff. Die interessantesten Zellen sind jedoch die Stammzellen, aus denen alle anderen Zellen hervor gehen.

Aber wie entscheidet sich eine Zelle, eine Spezialisierung vorzunehmen, sich zu teilen, oder sich im Interesse des Organs oder des Organismus selbst zu vernichten? Ist es allein das Programm der DNA, das Vermehrung, Entwicklung und Zusammenspiel der Zellen steuert? Egal ob Haar- oder Gehirnzelle, jede Körperzelle enthält eine Kopie der gleichen genetischen Information – das Ganze, d.h. Informationen über den Organismus, ist im Teil – der Zelle enthalten. Die Entwicklung und Funktion der Zelle, der Organe und letztlich unsere Individualität sind somit das Ergebnis koordinierter Prozesse, in denen Zellen miteinander kommunizieren, und die auch von aussen bestimmt werden. Diese Kommunikation von Zellen und die Prozesse im Zellinneren sind ein Schwerpunkt des relativ neuen Gebietes der Systembiologie.

In der Bioinformatik spielen Computer und Mathematik bereits eine wesentliche Rolle, um Dateninformationen zu analysieren und zu interpretieren. Aber können mathematische Modelle und Computer-Simulationen eine Zelle oder gar Leben an sich nachbilden? Die Systembiologie ist eine Synergie der Systemtheorie mit der Molekular- und Zellbiologie. Die Systemtheorie konzentriert sich dabei auf die mathematische Modellierung und Simulation dynamischer Prozesse. Ein Katalogisieren und Charakterisieren der Komponenten der Zelle ist zweifelsfrei wichtig, wird aber letztlich nicht ausreichen, um die Funktionalität der Zelle zu erklären. Die Mathematik ist für ein solches Verständniss keine Alternative zu anderen Ansätzen, sondern eine natürlicheErweiterung des gesunden Menschenverstandes. Die Komplexität der Natur lässt uns also keine Alternative, als mit Hilfe der (von nicht allen gleichermassen geliebten) Mathematik das Leben der Zelle zu verstehen.

Die Mitarbeiter des im Sommer 2003 eingerichteten Lehrstuhls für Systembiologie und Bioinformatik an der Universität Rostock sind dem Leben der Zelle mit Hilfe von Computern und der Mathematik auf der Spur. Gemeinsam mit Biologen und Medizinern arbeiten die Informatiker, Mathematiker, Ingenieure und Physiker der Arbeitsgruppe von Professor Olaf Wolkenhauer an den oben beschriebenen Fragen. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in Grossbritannien, den USA, Korea, Spanien und Bulgarien. Professor Wolkenhauer hat zehn Jahre in England gearbeitet, bevor er im vergangenen Jahr zurück nach Deutschland kam. Nach Studium und Promotion in der System- und Regeltheorie war er zunächst Dozent in den Ingenieurwissenschaften und von 2002 an auch Dozent in der Molekularbiologie. 1999 und 2000 ist er auf Einladung an der Technischen Universität Delft (Niederlande) tätig gewesen. Neben seiner Professur an der Universität Rostock ist Olaf Wolkenhauer auch noch Professor an der ’Case Western Reserve University’ in Cleveland, Ohio (USA) und an der ’School of Mathematics’ der ’University of Manchester’ (England). Für 2005 wurde er zum ’Fellow’ des Stellenbosch Institute of Advanced Studies (STIAS) in Süd-Afrika berufen. Er ist Herausgeber einer internationalen Fachzeitschrift auf dem Gebiet der Systembiologie und weltweit regelmässig als Gutachter und Berater für Forschungsvorhaben tätig. Obwohl er in den vergangenen sechs Monaten zwei Rufe an Universitäten im Ausland erhielt, hat er sich entschieden, zunächst weiter in Mecklenburg-Vorpommern zu forschen. „Auch wenn es in manchen Bereichen noch an Geld und Initiative mangelt, diese Region gehört zu den schönsten Standorten, an denen man Forschen und Studieren kann. Man hat hier die Geschichte und Lebensqualität vergleichbar mit den interessantesten Universitäten der Welt. Mit dem Logiker Gottlob Frege und Mathematiker Felix Hausdorff hat Mecklenburg-Vorpommern in der Vergangenheit aussergewöhnlich einflussreiche Mathematiker gehabt, wie man sie sonst nur in Cambridge und Oxford hatte. Und das Meer und die Natur bieten eine ähnliche Lebensqualität wie Standorte an der Westküste der USA. Es wäre deshalb für die akademische und wirtschaftliche Entwicklung der Region sinnvoll, wenn Stadt, Land und Leute sich mehr mit ihren Universitäten identifizieren würden. Entscheidungen für Studienorte und Investitionen haben viel mit subjektiven Eindrücken von Orten zu tun. Und es gibt keinen Grund, warum man nicht auch im Ausland Rostock und Greifswald als geschichtsträchtige Orte und eine aussergewöhnlich attraktive Region zum Studieren und Forschen wahrnehmen sollte.“

Wer sich weiter über die Forschungsarbeiten und das Lehrangebot des Lehrstuhls für Systembiologie und Bioinformatik informieren möchte, kann dies im Internet unter www.sbi.uni-rostock tun. Interessierte sind aber auch eingeladen, Professor Wolkenhauer und seine Mitarbeiter in der Albert Einstein Strasse 21 (Südstadt) zu besuchen.

Kontakt: Prof. Dr. Olaf Wolkenhauer, T: 0381 498 33 35, e-mail: olaf.wolkenhauer@uni-rostock.de

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Dr.-Ing. Karl-Heinz Kutz idw

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