Forschungsschwerpunkt Systembiologie

Mathematische Modellierung zellulärer Systeme

Bereits mehrere Jahre vor dem Beginn seiner Tätigkeit als Gründungsdirektor des Magdeburger Max-Planck-Instituts wendete sich Prof. Ernst Dieter Gilles an seinem damaligen Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik an der Universität Stuttgart intensiver der mathematischen Modellierung zellulärer Systeme zu. Seine Vision bestand darin, etablierte Methoden aus der Systemtheorie und Regelungstechnik verstärkt für die computergestützte Analyse von molekularbiologischen Prozessen einzusetzen.

Als besonders fruchtbar und wegweisend entwickelte sich Mitte der 90er Jahre eine Kooperation mit dem Genetiker Prof. Joseph Lengeler von der Universität Osnabrück. Beide zeigten ein großes Interesse für die jeweils andere Disziplin – eine essentielle Voraussetzung für interdisziplinäres Arbeiten.

Am Beispiel von molekularen Mechanismen der Regulation des Zuckertransports im Bakterium Escherichia coli konnten beide Arbeitsgruppen nachweisen, wie ein iterativer Zyklus aus klassischen molekularbiologischen Analysen kombiniert mit Computersimulationen einen echten Mehrwert bei der Aufklärung von zellulären Prozessen liefern kann.

Mit diesen und anderen wegweisenden Arbeiten gilt Prof. Gilles als einer der Pioniere der Systembiologie, welche sich zu Beginn des neuen Jahrtausends als ein neuer methodischer Ansatz für die immer stärker datengetriebene Biologie durchsetzte.

Fachgruppe Systembiologie

Aufbauend auf den ersten Erfahrungen des interdisziplinären Arbeitens etablierte Prof. Gilles ab 1998 seine Fachgruppe der Systembiologie am neu gegründeten Magdeburger Max-Planck-Institut. Von Anfang an setzte er auf eine konsequente Integration von Biologen und Modellierern in der Gruppe, die sich jeweils gemeinsam mit verschiedenen Aspekten des zellulären Stoffwechsels und der zellulären Regulation beschäftigten.

Die Gruppe publizierte eine Reihe national und international vielbeachteter Beiträge zur Systembiologie, einige Beispiele seien hier genannt:

• Die erste umfassende computergestützte Analyse der Gesamtheit aller Stoffwechselwege (sogenannte Elementarmoden) im Zentralstoffwechsel von Escherichia coli erklärte den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion von Stoffwechselnetzwerken. [1]
• Das bis dahin größte dynamische Modell eines Signaltransduktionsweges in der menschlichen Zelle erlaubte eine simulationsgetriebene Analyse wichtiger Eigenschaften des Ein- Ausgangsverhaltens einer zentralen zellulären Signalkaskade. [2] Später wurden auch Modellierungstechniken entwickelt, mit denen hochgradig komplexe Signaltransduktionswege effizient modelliert werden können [3] und [4].
• Ein mathematisches Modell wurde entwickelt, dass Mechanismen der Regulation der Zuckeraufnahme und der Katabolitenrepression in E. coli in quantitativer Weise beschreibt und erklärt [5]
• Die Gruppe entwickelte mehrere Software-Werkzeuge für die Systembiologie, die auch von anderen Gruppen weltweit verwendet werden. Dazu gehören z.B. der CellNetAnalyzer [6] oder ProMoT [7]

Forschungsverbünde für die Systembiologie

Die Fachgruppe Systembiologie von Prof. Gilles war von Anfang an sehr erfolgreich in der Einwerbung von Drittmitteln und war als Partner in mehreren großen Forschungsverbünden beteiligt.

Ein wichtiger Erfolg für den Standort war die Etablierung eines vom BMBF geförderten FORSYS-Systembiologie-Zentrums in Magdeburg (MaCS) im Jahre 2007, an dem Prof. Gilles einen entscheidenden Anteil hatte.

Ebenso war die Gründung des vom Land Sachsen-Anhalt geförderten Forschungszentrums „Dynamische Systeme“ konzeptionell von ihm geprägt. Auch bei der Initiierung des sehr erfolgreichen Studiengangs „Biosystemtechnik“ an der Universität Magdeburg war er beteiligt. All diese Aktivitäten haben zu einer hohen Sichtbarkeit der Magdeburger Systembiologie im In- und Ausland beigetragen.

Im Jahre 2011 emeritierte Prof. Gilles am Max-Planck-Institut. Einige Themen der Systembiologie werden in der seit 2009 bestehenden Fachgruppe „Analyse und Redesign biologischer Netzwerke“ weiterhin am Max-Planck-Institut Magdeburg erforscht. Geleitet wird die Gruppe von Dr.-Ing. Steffen Klamt, einem früheren Mitarbeiter der Fachgruppe Systembiologie.