Mathematische Modellierungsansätze zur Beschreibung biochemischer Reaktionsnetzwerke in der Systembiologie

Diese Arbeit stellt anhand von zwei Beispielsystemen zwei komplementäre Modellierungsansätze in der Systembiologie vor. Die betrachteten Beispielsysteme sind die Sauerstoffantwort von Escherichia coli und die Apoptosesignalisierung in Säugerzellen. Der Modellierungsansatz I zeichnet sich durch eine möglichst fokussierte Modellbildung, die auf die Beantwortung einer spezifischen, biologischen Fragestellung hinzielt, aus. Modelle von Typ II streben nach einer möglichst umfassenden Abbildung des relevanten zellulären Netzwerks, die es erlaubt, heterogene Messdaten im Rahmen der Netzwerkstruktur zu beschreiben. Die Fokussierung der Modelle von Typ I auf eine eng umgrenzte biologische Fragestellung erlaubt ein wesentliche Vereinfachung des modellierten Netzwerks, und vereinfacht durch die reduzierte Anzahl der Parameter und Zustandsgrößen die Handhabung der Modelle. Widerstreitende Hypothesen werden als unterschiedliche Modellvarianten dargestellt. Die Bewertung der Modellvarianten geschieht durch den Vergleich von Simulationen mit Messdaten. Dieser Vergleich erlaubt es, die Hypothesen zu bewerten und damit zur Klärung der biologischen Fragestellung beizutragen. Der Anspruch der Modelle vom Typ II ist es, das Netzwerk möglichst umfassend darzustellen und zu beschreiben, wie sich die beobachtete Antwort aus dem Zusammenspiel der Netzwerkelemente ergibt. Dies führt auf vergleichsweise große und komplexe Modelle, die es aber erlauben große und heterogene Datensätze zu beschreiben. Diese Modelle stellen eine formalisierte Repräsentation des momentanen Systemverständnisses dar, die in sich und mit vorhandenen Daten konsistent ist.