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COPASI: Modellierung, Simulation und Analyse komplexer biochemischer Systeme

Nach sechsjähriger Entwicklungsarbeit haben die Forschungsgruppen von Dr. Ursula Kummer an der EML Research gGmbH, Heidelberg, und Professor Pedro Mendes am Virginia Bioinformatics Institute der wissenschaftlichen Community ein leistungsfähiges Instrument an die Hand gegeben, mit dem komplexe biochemische Stoffwechselwege simuliert und analysiert werden können. COPASI ist ein Softwarepaket nicht nur für Bioinformatiker, sondern auch für experimentelle Forscher, die damit die Funktion biochemischer Reaktionsnetze berechnen und ihre Modellsysteme an die im Labor gewonnenen Daten anpassen können.

Computerberechnungen sind unerlässlich, um die Reaktionen komplexer, vielfach verästelter Stoffwechselsysteme und Signaltransportketten in der Zelle zu verstehen und vorherzusagen. Die Integration experimenteller und computergestützter Methoden ist Aufgabe der Systembiologie. Die bisher entwickelten systembiologischen Softwaretools zur Modellierung und Simulation des Verhaltens zellulärer Netzwerke waren jedoch so speziell, dass sie in der Praxis nur von einem eng begrenzten Kreis von Bioinformatikexperten angewendet werden konnten. Den meisten experimentellen Forschern waren sie nicht zugänglich.

Für Wissenschaftler frei verfügbare Software

Mit COPASI (COmplex PAthway SImulator) haben nun auch Biowissenschaftler im Labor für die Simulation und Analyse komplexer Stoffwechselvorgänge ein relativ einfach zu bedienendes Softwarepaket an der Hand, das zudem mit seinen vielseitigen Funktionen den bisher verfügbaren Programmen überlegen ist. COPASI ist das Ergebnis langjähriger gemeinsamer Entwicklungsarbeiten der Forschungsgruppen von Dr. Ursula Kummer (EML Research, Heidelberg) und Professor Pedro Mendes (Virginia Bioinformatics Institute, Blacksburg, VA, USA). Im Juni 2006 wurde die erste offizielle Version des Programms im Netz veröffentlicht. Sie steht der akademischen, gemeinnützigen Forschung kostenlos unter www.copasi.org zur Verfügung. Für die industrielle Nutzung können Lizenzen erworben werden.

„Schon jetzt ist COPASI eine der erfolgreichsten Simulationssoftwares in der Systembiologie“, sagte Dr. Ursula Kummer unmittelbar nach ihrer Rückkehr von der 7. Internationalen Konferenz über Systembiologie, die im Oktober 2006 in Yokohama stattfand. Dort hatte sie, zusammen mit Mendes und weiteren Mitgliedern des COPASI-Teams, Trainingskurse zur Modellierung, Simulation und Analyse biochemischer Systeme mit dem neuen Programm durchgeführt. "COPASI ist auch für den Nicht-Mathematiker zugänglich. Der Chemiker oder Biologe kann seine Fragestellung in der ihm vertrauten Sprache eingeben, also Reaktionsgleichungen, die von dem Programm automatisch in die Sprache der Mathematik – die entsprechenden Differentialgleichungen – übersetzt werden", erläuterte Kummer. Erreicht wird dies über eine intuitive, dem Naturwissenschaftler leicht verständliche, grafische Oberfläche.
Dr. Ursula Kummer (Foto: Klaus Tschira Stiftung gGmbH)
Dr. Ursula Kummer (Foto: Klaus Tschira Stiftung gGmbH) 
Mit dieser Software kann der Forscher selbst biochemische Modelle erstellen, experimentelle Befunde im Computer simulieren und die Gültigkeit seiner Modelle überprüfen. Ein Modell kann immer nur - im besten Falle – zu einer Annäherung an die Wirklichkeit führen. Experimentelle Daten sind notwendig, um das Modell in einer Spirale von Verifikationen und Falsifikationen zu verbessern. Kummer erwähnt den provokativen Ausspruch des berühmten britischen Populationsbiologen Richard Levins: „All models are lies“ (1966), der oft ironisch auf Konferenzen zitiert wird. Nun wird kaum ein Wissenschaftler ernsthaft Sinn und Bedeutung von Modellbildungen für den Erkenntnisfortschritt in Frage stellen, und so wird Levins’ Satz gern ergänzt zu: „All models are lies that lead us towards the truth.“ (Womit der Satz freilich jede Würze verloren hat.)

Die Forscher am EML Research und Virginia Bioinformatics Institute sind sich natürlich bewusst, dass auch COPASI weiter verbessert werden muss, um sich der komplexen Wirklichkeit anzunähern. So arbeiten sie, kaum dass die erste Version verfügbar ist, bereits an der nächsten. Eine wichtige Komponente ist dabei vor allem die Analyse der Systemdynamik. Viele Reaktionsnetzwerke zeigen nämlich eine ausgeprägte, komplexe Dynamik, zum Beispiel in Form von Oszillationen, die für die Funktionen in der Zelle von entscheidender Bedeutung sein können.

Mit COPASI kann nicht nur das Verhalten komplexer Reaktionsnetze analysiert und vorhergesagt werden, sondern es können auch bestimmte Systemgrößen optimiert werden, beispielsweise bei der Frage: Wie kann man die Produktion eines bestimmten Moleküls in der Zelle maximieren? Vor allem auch können falsche Annahmen und Fehlentwicklungen vermieden werden, bevor man diese durch langwierige und teure Experimente falsifiziert hat. Es kann daher nicht überraschen, dass besonders die Pharmaindustrie großes Interesse an diesem Programm zeigt.
COPASI (Complex Pathway Simulator) ist eine der erfolgreichsten Simulationssoftwares für die Systembiologie. COPASI hilft Biowissenschaftlern, die Funktionen biochemischer Reaktionsnetze zu berechnen und ihre Modellsysteme an die im Labor gewonnenen Daten anzupassen. COPASI wird finanziert von: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Klaus Tschira Stiftung gGmbH und Virginia Bioinformatics Institute (VBI).

Software Maintenance – ein kritischer Entwicklungsengpass

Reichtümer lassen sich mit COPASI dennoch nicht gewinnen. Die Lizenzgebühren, welche die Industrie zu seiner Nutzung zahlen wird, werden nicht einmal reichen, um die Software zu pflegen und weiterzuentwickeln. Leider, betont Ursula Kummer, ist es auch sehr schwierig, in unserem Land staatliche Unterstützung für das Pflegen von Software zu erhalten, obwohl jeder, der die Informationstechnologien und das rasante Tempo ihrer Veränderungen kennt, weiß wie notwendig solche Leistungen sind. Die Amerikaner sind uns hier wieder einmal voraus. So finanzieren die National Institutes of Health jetzt einen speziellen Bereich „Software Maintenance“. Im Falle von COPASI steht das deutsch-amerikanische Projekt trotzdem auf recht sicheren Beinen, da verschiedene Finanzierungsmöglichkeiten diesseits und jenseits des Atlantiks in Frage kommen.

EJ, 29.11.06
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Villa Bosch (Foto: Klaus Tschira Stiftung gGmbH)
Villa Bosch (Foto: Klaus Tschira Stiftung gGmbH) 
Die EML Research gGmbH ist ein gemeinnütziges Forschungsinstitut, das 2003 gegründet worden ist, um die langfristigen, im Grundlagenbereich angesiedelten Forschungsziele des European Media Laboratory (EML) zu verfolgen. EML Research wird durch die ebenfalls gemeinnützige Klaus Tschira Stiftung (KTS) finanziell unterstützt. Die stärker anwendungsnahen Themen wie Auftragsforschung und Beratung in den Informationstechnologien werden von der European Media Laboratory GmbH (EML) durchgeführt. Die KTS hat ihren Sitz in der Villa Bosch in Heidelberg, dem ehemaligen Domizil des Chemie-Nobelpreisträgers Carl Bosch. Die Villa oberhalb des Heidelberger Schlosses, auf deren Gelände auch EML und EML Research angesiedelt sind, war von Dr. h.c. Klaus Tschira, dem Mitgründer der SAP, erworben worden. Zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter baute er das European Media Laboratory zu einem internationalen IT-Forschungsinstitut und die Villa Bosch zu einer hochkarätigen wissenschaftlichen Tagungs- und Begegnungsstätte auf. Die Forschungsschwerpunkte des EML Research liegen auf Bioinformatik, Datenbanken für wissenschaftliche Anwendungen und Computerlinguistik. Die Arbeit ist in vier Forschungsgruppen organisiert: „Bioinformatics and Computational Biochemistry“ (BCB) unter Leitung von Dr. Ursula Kummer, „Molecular and Cellular Modeling“ (MCM) unter Leitung von Dr. Rebecca Wade, Scientific Databases and Visualization“ (SDBV) unter Leitung von Dr. Isabel Rojas und „Natural Language Processing“ (NLP) unter Leitung von Dr. Michael Strube.





Weitere Informationen zum Beitrag:
Dr. Peter Saueressig
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
EML Research gGmbH
Villa Bosch
Schloss-Wolfsbrunnenweg 33
69118 Heidelberg
Tel.: +49-(0)6221-533245
Fax : +49-(0)6221-533198
E-Mail: Peter.saueressig@kts.villa-bosch.de
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04.12.2006

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