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20.06.2013

Biochemische Reaktionen in 3D simulieren

Biochemische Prozesse sind äußerst komplex. Ein bisher noch wenig betrachteter Aspekt dieser Komplexität: biochemische Prozesse laufen in der Zelle in einem dreidimensionalen Raum ab und Moleküle selbst haben eine räumliche Gestalt. Der Jülicher Forscher Eric von Lieres möchte biochemische Prozesse in 3D auf modernen Computerarchitekturen simulieren. Die entwickelten Simulationsmodelle sollen dabei helfen, biotechnische Reaktionssysteme zu optimieren.

Luftballonstrauß
Wie in diesem Strauß von Luftballons ist das molekulare Gedränge in der Zelle groß.
Quelle: 
Philipp Graf

Zu den biomolekularen Prozessen in der Zelle, bei denen die dritte Dimension eine entscheidende Rolle spielt, zählen das sogenannte Metabolic Channeling und das Molecular Crowding. Ersteres beschreibt eine strukturelle Interaktion von Enzym-Molekülen, wodurch biosynthetische Zwischenprodukte direkt von katalytischem Zentrum zu katalytischem Zentrum transferiert werden. Der Begriff Molecular Crowding beschreibt das Gedränge der vielen Eiweiße in einer Zelle, das Auswirkungen auf die Bewegung und andere Eigenschaften der Moleküle hat. Die beiden Phänomene beeinflussen nicht zuletzt die biotechnologische Produktion von speziellen Metaboliten und sind somit Stellschrauben, deren Wirkung sich jedoch nur mit komplexen Simulationen beschreiben lässt.

Der Mathematiker und Ingenieur Eric von Lieres, am Jülicher IBG-1 Leiter der  Abteilung für Modellierung und Simulation, will relevante biologische Systeme bezüglich ihrer räumlichen Randbedingungen studieren. Mithilfe von experimentellen in-vitro Enzym-Daten sollen räumliche Simulationsmodelle zur Vorhersage von Reaktionsdynamiken verwendet werden. Das Neue an dem Vorhaben: „Wir verfolgen einen neuen Ansatz zur Kopplung von mehrskaligen 3D-Simulationen von Reaktions-Diffusions-Systemen“, so von Lieres. Dieser Ansatz kann in Zukunft dazu verwendet werden, die Reaktions- mit der Geometrieoptimierung zu kombinieren. Die Erkenntnisse aus den Simulationsmodellen sollen dereinst helfen, Reaktionssysteme mit optimierten Kompartimenten oder Immobilisierungsgeometrien zu entwickeln. Die angestrebte 3D-Simulationssoftware wäre auch ein wichtiges Instrument zur weiteren Erforschung systembiologischer Fragestellungen.  (pg)

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