Die Komplexität der biochemischen Reaktionsnetzwerke, auf denen alles Leben basiert, verständlich zu machen, ist Kernanliegen der Systembiologie. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Ansatz aus den Ingenieurwissenschaften, nämlich die Nachlaufsynchronisation, genutzt, um das Verhalten circadianer Oszillationssysteme zu simulieren und zu analysieren. Die Nachlaufsynchronisation (Phase-locked loop, PLL) ist ein Spezialfall einer Frequenzegelung,
wie sie in den Ingenieurwissenschaften definiert ist: ein dynamisches System wird innerhalb eines geschlossenen Wirkungskreises zielgerichtet beeinflusst (1). Die Regelungstechnik fand bereits früh Eingang in die theoretische Biologie. Regelkreise sind gut zur Beschreibung von biologischen Systemen geeignet; sie profitieren von einer strengen Modularisierung, die eine klare Aufteilung eines komplexen Systems in funktionale Untereinheiten, die durch Signalpfade verbunden sind, ermöglicht. In dieser Diplomarbeit wird ein regelkreis-basierter Modellierungsansatz vorteilhaft zur Beschreibung und Analyse eines circadianen Oszillators einschließlich seiner Fähigkeit zum Entrainment angewendet. Oszillationen eignen sich besonders für die Modellierung mithilfe von Regelkreisen, da zahlreiche Methoden zur Analyse des Verhaltens von Frequenzregelkreisen existieren.
Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)
- Einleitung
- Circadiane Rhythmen
- Rhythmen in der Natur
- Molekularer Mechanismus circadianer Rhythmen
- Entrainment
- Modellierung mittels Differentialgleichungen
- Analyse des dynamischen Verhaltens biochemischer Reaktionsnetzwerke
- Analyse von Differentialgleichungssystemen
- Oszillierende Systeme
- Periode und Frequenz einer Oszillation und deren Bestimmung
- Der Goodwin-Oszillator
- Frequenzregelkreise nach dem Prinzip der Nachlaufsynchronisation
- Grundbegriffe der Regelungstechnik
- Wirkungsprinzip der Regelung
- Frequenzregelung
- Nachlaufsynchronisation
- Circadiane Uhren als Frequenzregelkreise mit Nachlaufsynchronisation - eine Fallstudie
- Aufbau der Simulation
- Beschreibung der Simulationen
- Diskussion und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Anwendung des Prinzips der Nachlaufsynchronisation aus den Ingenieurwissenschaften auf die Modellierung und Analyse von circadianen Oszillationssystemen. Ziel ist es, das Verhalten dieser Systeme mit Hilfe eines regelkreisbasierten Modells zu simulieren und zu verstehen.
- Modellierung circadianer Oszillationssysteme mit Hilfe von Frequenzregelkreisen
- Anwendung des Prinzips der Nachlaufsynchronisation zur Simulation des Entrainments
- Analyse des dynamischen Verhaltens von biochemischen Reaktionsnetzwerken
- Vergleich der Modellierungsansätze mit Differentialgleichungssystemen und booleschen Netzwerken
- Einordnung der Ergebnisse in den Kontext der Systembiologie
Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)
Das erste Kapitel führt in die Thematik der Systembiologie ein und erläutert die verschiedenen Modellierungsansätze für komplexe biologische Systeme. Kapitel 2 widmet sich circadianen Rhythmen, deren molekularem Mechanismus und der Bedeutung von Entrainment. In Kapitel 3 werden verschiedene Methoden zur Analyse von Differentialgleichungssystemen und insbesondere oszillierenden Systemen vorgestellt. Der Goodwin-Oszillator als ein klassisches Beispiel für ein oszillierendes System wird ebenfalls diskutiert. Kapitel 4 beschäftigt sich mit Frequenzregelkreisen nach dem Prinzip der Nachlaufsynchronisation, wobei die grundlegenden Begriffe der Regelungstechnik erläutert werden. In Kapitel 5 wird eine Fallstudie zur Simulation circadianer Uhren als Frequenzregelkreise mit Nachlaufsynchronisation vorgestellt. Aufbau und Beschreibung der Simulationen werden detailliert erläutert. Die Arbeit endet mit einer Diskussion der Ergebnisse und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen.
Schlüsselwörter (Keywords)
Systembiologie, Circadianer Rhythmus, Nachlaufsynchronisation, Frequenzregelkreis, Differentialgleichungssysteme, Oszillation, Entrainment, Goodwin-Oszillator, Modellierung, Simulation
- Quote paper
- Benedict Schau (Author), 2011, Reverse-Engineering circadianer Oszillationssysteme als Frequenzregelkreise mit Nachlaufsynchronisation, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/174212
