Metabolische Kohlenstoff-Markierungssysteme : Modellierung, Simulation, Analyse, Datenauswertung
Wiechert, Wolfgang (Corresponding author)
Publikationen vor 2000; PRE-2000; Retrocat
Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag 1996
XVIII, 238 p.
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Berichte des Forschungszentrums Jülich 3301
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Die wissenschaftliche Erforschung komplexer Systeme ist heute ohne die Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen nicht mehr denkbar. Eine der größten Herausforderungen stellen dabei biologische Systeme dar, in denen hochgradig vernetzte Strukturen eine isolierte Untersuchung einzelner Phänomene nahezu unmöglich machen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem der durch Regulationsmechanismen am stärksten vernetzten biologischen Systeme, nämlich dem Zellmetabolismus. Sie verdankt ihr Entstehen einer langjährigen interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Biologen, Physikern, Ingenieuren, Informatikern und Mathematikern und stellt den Aspekt der Modellierung, Systemanalyse, Simulation und Datenauswertung bei metabolischen Markierungssystemen in den Vordergrund.Die aus der Schulphysikvertraute reduktionistische Arbeitsweise ist in den biologischen Disziplinen zwangsläufig zum Scheitern verurteilt, denn die experimentelle Isolation einer Komponente - also das In-vitro-Experiment - erlaubt nur mit großen Bedenken den Rückschluß auf Funktion und Verhalten dieser Komponente innerhalb des Gesamtzusammenhangs. In dieser Situation muß versucht werden, den wohldefinierten und reproduzierbaren Bedingungen eines klassischen physikalischen Experiments möglichst nahe zu kommen, ohne das beobachtete System zu zerstören. Dieses Vorhaben ist ohne den massiven Einsatz technischer Apparaturen, hochspezialisierter Meßgeräte und spezifischer Analysemethoden meist nicht realisierbar. Dies trifft in besonderem Maße für das Jülicher Stoffflußanalyse-Projekt zu, das sich zum Ziel gesetzt hat, stoffwechselphysiologische Studien an lebenden Mikroorganismen mit Hilfe der NMR-Technik durchzuführen. Der ohne Zweifel wichtigste Mitarbeiter des Projekts ist Herr Dr. A.A. de Graaf, der seit 1991 mit großem Elan das NMR-Labor an dem unter Leitung von Herrn Prof. Dr. H. Sahm stehenden Institut für Biotechnologie 1 (kurz IBT1) aufgebaut hat. Ohne die besonderen Fähigkeiten von Herrn de Graaf wären viele der seither erzeugten In-vivo-NMR-Signale wohl bis heute uninterpretiert geblieben, denn die Anwendung der NMR-Meßtechnik erfordert eine hochspezialisierte Ausbildung. Von Herrn de Graaf habe ich gelernt, daß sich das (im Vergleich zu anderen Datenanalyseproblemen) so einfach erscheinende Problem der quantitativen Auswertung von In-vivo-NMR-Spektren wohl immer einer vollständig automatisierten Auswertung verschließen wird. Erst nach langjähriger Erfahrung vermag ein Experte einen signifikanten Peak nicht nur qualitativ zu beurteilen, sondern auch der richtigen nuklearmagnetischen Ursache zuzuordnen. Im Falle der Stoffflußanalyse müssen diese Fähigkeiten einhergehen mit biochemischer Systemkenntnis, der Fähigkeit zur Kultivierung von Mikroorganismen und der Fertigkeit zur zuverlässigen Durchführung von Laboranalysen. Ohne die massive Mitarbeit der am IBT 1 tätigen Mikrobiologen bei der Planung, Durchführung und Interpretation der Experimente wären die vorliegenden Ergebnisse wohl kaum zustande gekommen. Ganz besonders hervorheben möchte ich die Arbeit von Herrn Dipl.Biol. Achim Marx, der im Rahmen seiner Diplomarbeit die Grundlagen für die Durchführung der in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Methode gelegt und die Meßdaten erhoben hat. Dankte er mir in diesem Zusammenhang für Mathematik-Nachhilfestunden, so möchte ich nun ihm ganz besonders für seine Biologie-Nachhilfe danken, vor allem für seine heftigen Einwände, wenn ich einmal wieder einen Zusammenhang zu stark vereinfacht hatte. Mit der Fähigkeit zur Beherrschung des biologischen Systems einerseits und der NMR-Technik andererseits ist immer noch ein wichtiger Aspekt übersehen, der aus der Sicht des Naturwissenschaftlers "lediglich" technischer Natur ist: Zur Herstellung wohldefinierter physiologischer Bedingungen für das Wachstum von Mikroorganismen in einem Bioreaktor ist ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich. Will ein biotechnologisches Forschungsvorhaben den Anforderungen [...]