Martin Meier-Schellersheim, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001
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Der Fortschritt in der Biotechnologie hat unser Wissen um die Kenntnis feiner Details von Strukturen und Wechselwirkungen in der Zellbiologie bereichert. Vor allem in der Immunologie hat die Entwicklung von Theorien und Modellen jedoch nicht Schritt gehalten mit den experimentellen Errungenschaften. Einer der Gründe hierfür mag sein, dass es - aufgrund der unzureichenden Rechenleistung der Computer -- lange Zeit nicht möglich war, komplizierte (weil realistische) Modelle der zellulären Kooperation innerhalb des Immunsystems durch Computersimulationen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit beschreibt das Softwarepaket SIMMUNE, das es gestattet, vielzellige biologische Systeme auf der Skala der durch Membranrezeptoren vermittelten zellulären Wechselwirkungen zu modellieren und simulieren. Es ist in der Lage, die molekularen Komponenten dieser Systeme (wie z.B. Membranrezeptoren oder frei diffundierende Signalmoleküle) unter Verwendung realistischer Molekülzahlen, Reaktionsraten und Diffusionskoeffizienten zu berücksichtigen.
Wie in der theoretischen Biologie im Allgemeinen, hat sich auch bei der Entwicklung von SIMMUNE die Übertragung von Konzepten und Techniken aus der theoretischen Physik als nützlich erwiesen. Im Gegensatz zu, beispielsweise, den einfacheren Differentialgleichungs- modellen, die die Dynamik von Populationen von Agenzien durch globale Ratengleichungen, d.h. ohne die Berücksichtigung räumlicher Struktur modellieren, beachtet SIMMUNE durch Simulation lokaler, durch Zellmem- branrezeptoren vermittelter Wechselwirkungen strikt das Prinzip der Lokalität von Information. Da dieser Ansatz den simulierten Systemen keine nichtlokale Struktur a priori aufprägt, eignen sich Simulationen mit SIMMUNE als Ausgangspunkt für Mehrskalenanalysen simulierter Immun- antworten. Solche Analysen werden der Entwicklung effektiver Theorien immunologischer Vorgänge dienen und somit dazu beitragen, die Komplexität des Immunsystems überschaubarer zu machen.
Progress in biotechnology has enhanced our knowledge about finer details of structures and interactions in cell biology. Particularly in immunology, the development of theories and models has, however, not kept pace with ex- perimental achievements. One of the reasons for this may be that - because of the unsufficient power of computers - it has long been impossible to in- vestigate complicated (since realistic) models of cellular cooperation within the immune system by means of computer simulations. The work presented here describes the software package SIMMUNE, which allows to model and simulate multicellular biological systems on the scale of membrane receptor mediated cellular interactions. It is capable of including the molecular components of these systems (as, e.g., membrane receptors or freely diffusing signal molecules) with realistic numbers of molecules, reaction rates, and diffusion coefficients.
As theoretical biology in general, the development of SIMMUNE has profited by the transfer of concepts and techniques from theoretical physics. In contrast to, e.g., simpler differential equation models which simulate the dynamics of populations of agents using global rate equations, which means, without taking into account any spatial structure, SIMMUNE strictly ob- serves the principle of locality of information by simulating local, receptor mediated interactions. Since this approach does not a priori impose any non-local structure on the systems being simulated, SIMMUNE simulations are apt to serve as starting points for multiscale analyses of simulated im- mune responses. Such analyses will be useful for the development of effective theories of immunological processes and will hence contribute to making the complexity of the immune system more comprehensible.