09.03.2020

Neues Software-Tool fördert die Qualitätskontrolle virtueller Stoffwechselmodelle

Stoffwechselprozesse können immer umfassender im Computer simuliert werden: Von den Vorgängen in einzelnen Körperzellen über den Stoffwechsel von Krebserkrankungen bis hin zu den Wechselwirkungen von Darm-Mikroben lässt sich in systembiologischen Computermodellen nachvollziehen, wie der Stoffwechsel eines Organismus auf verschiedene Bedingungen und genetische Veränderungen reagiert. Bislang fehlen allerdings allgemeine Qualitätsstandards für solche Modelle. Oft sind Computersimulationen in unterschiedlicher Software nur schwer reproduzierbar oder kaum in neuen Kontexten anwendbar.

Ein internationales Forschungsteam aus der Biotechnologie hat unter Leitung des Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability an Dänemarks Technischer Universität (DTU) nun eine freie Software namens „Memote“ entwickelt, mit der die Qualität solcher Computermodelle überprüft werden kann. Von der Universität Tübingen war Dr. Andreas Dräger, Juniorprofessor für rechnerbasierte Systembiologie der Infektionen und antimikrobiell-resistenten Krankheitserreger, beteiligt. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Biotechnology veröffentlicht.

Memote bietet auf der Seite memote.io eine allgemein zugängliche Weboberfläche, auf der systembiologische Modelle hochgeladen und automatisch überprüft werden können. Die Tests decken zahlreiche Aspekte ab, angefangen davon, dass alle chemischen Substanzen korrekt zugeordnet sind, bis hin zur Überprüfung, ob das Modell Gesetzen der Thermodynamik widerspricht. Memote soll sowohl Wissenschaftlern als auch Biotech-Unternehmen ermöglichen, effizient bessere Modelle zu entwickeln. Zudem lässt sich Memote in moderne IT-Technologie wie die Plattform GitHub für soziale Softwarenetwicklung integrieren und ermöglicht allen Beteiligten, gleichzeitig an Modellen zu arbeiten.

Mit Memote lassen sich zudem unterschiedliche Modelle auf die Schnelle vergleichen, um das besser geeignete für den zu simulierenden Organismus zu finden. Dabei wird an den Modellen unter anderem getestet, ob alle Stoffe gebildet werden können, die für die Biomasseproduktion nötig sind, um z. B. simuliertes Zellwachstum zu ermöglichen.

Eine Reihe der von der Software durchgeführten Tests gehen auf Vorschläge von Andreas Dräger zurück, der sich seit langem für die Standardisierung von Datenformaten in der Systembiologie engagiert. Inzwischen ist Memote fester Bestandteil der systembiologischen Lehre an der Universität Tübingen geworden und aus Praktika kaum mehr wegzudenken. So können Studierende, die systembiologische Modelle entwickeln, selbst ihren Fortschritt überprüfen und zahlreiche Fehlerquellen ausschließen.

„Wir haben bereits viele Daten und Erkenntnisse über die Funktionsweise industrieller Mikroorganismen“, sagt Hauptautor Nikolaus Sonnenschein, Associate Professor an der DTU. „So können wir mit mathematischen Modellen die Auswirkungen genetischer Veränderungen simulieren und einen zielführenden Ansatz für die Gestaltung von Zellen als biotechnologische Fabriken zur Verfügung stellen. Ich hoffe, Memote erleichtert dies für viele  Arten von Organismen und erweitert somit das Spektrum dieser Zellfabriktechnik.“

Publikation: MEMOTE for standardized genome-scale metabolic model testing, Christian Lieven, Moritz E. Beber, […] Cheng Zhang, Nature Biotechnology (2020), https://doi.org/10.1038/s41587-020-0446-y 

Andreas Dräger / Mitteilung der Technischen Universität Dänemark 
 

Kontakt:

Dr. Andreas Dräger
Universität Tübingen
Institut für Biomedizinische Informatik
+49 7071 29-70459
draegerspam prevention@informatik.uni-tuebingen.de