Mathematische Modellierung und Simulation von in-silico Protozellen nach dem Modularisierungs- und Baukastenprinzip

Abstract

Eine an die Synthetische Biologie gestellte Aufgabe ist die Entwicklung von Protozellen, die die Grundfunktionalitäten von lebenden Zellen nachahmen aber synthetischhergestellt werden sollen. Der Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung von mathema-tischen Modellen, die solch eine Produktion von synthetischen Protozellen begleiten.Diese Arbeit liefert grundlegende Erkenntnisse für die Synthetische Biologie bezüglich der notwendigen Bestandteile einer Protozelle und deren Verknüpfung zu einemin-silico Protozellmodell. Bei der Erarbeitung sinnvoller Modularisierungskonzeptewerden zwei unterschiedliche Herangehensweisen definiert, anhand derer zwei unterschiedlich konzipierte in-silico Protozellmodelle entwickelt und in verschiedenenModellvarianten untersucht werden:Der Modularisierungsansatz bringt ein in-silico Protozellmodell hervor, das die Kernpunkte aus hypothetischen, bereits vorhandenen Modellen vereint und diese an die Eigenschaften einer Protozelle annähert. Vor allem die Eigenschaft der Selbstreproduzierbarkeit eines synthetischen Systems wird anhand dieses Modells näher beleuchtet, da es bestehend aus den funktionalen Modulen Metabolismus, Polymerisationssystem und Membran in der Lage ist Tochterzellkomponenten abzuspalten, die wiederum einen neuen Protozellzyklus starten. Wegen seiner geringen Komplexität und einer gering gehaltenen Anzahl von Bausteinen eignet sich dieses Modellvor allem zur Untersuchung von Interaktionen zwischen den einzelnen zu einem Gesamtsystem verknüpften funktionalen Modulen. Das Protozellmodell nach dem Modularisierungsansatz definiert notwendige Eigenschaften einer Protozelle, wie die Versorgung der Membran mit Membranbausteinen, das Protozellwachstum infolge des Membranwachstums und der daraus resultiernden Volumenzunahme sowie die Protozellteilung. Damit bildet es eine Grundlage für ein weiteres Modell, das nach dem Baukastenansatz entwickelt wird und realen Prozessen angenähert ist.Der Baukastenansatz sieht vor, aus realen und optimalerweise bereits experimentell validierten Subsystemen, die als funktionale Module definiert werden, eine in-silico Protozelle aufzubauen. Das Modell nach dem Baukastenansatz verknüpft die funktionalen Module Container und Divisom. Dabei besteht das Divisom aus einem Positionierer und einer kontraktilen Einheit. Besonders die Interaktionseigenschaften dieserzwei funktionalen Module des Divisoms werden in unterschiedlichen Modellvarianten untersucht und optimiert. Das Protozellmodell nach dem Baukastenansatz eignetsich als Grundlage f ̈ur weitere in-silico Protozellstudien, da es aufgrund seiner modularen Struktur durch weitere funktionale Module ergänzt werden kann. Aus diesem Grund dient das Protozellmodell nach dem Baukastenansatz auch für Experimen-tatoren als Grundlage zur Protozellkonstruktion, sei es als Grundsatzüberprüfung oder zur Prozessoptimierung.