Programm im Wintersemester 2006/2007
Abteilung für Theoretische Biologie der Universität Bonn

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Seminar
Dienstags, 17-19h
IZMB, Raum 408
Seminar zur Theoretischen Zellbiologie: Mechanismen und Modelle der Zellmigration W. Alt, J. Kappler und G. Kirfel
Praktika
Zeitgruppe I
23.10. - 17.11. 2006
IZMB, Raum 408/409
Mathematical Models and Computer Simulations in Microbiology and Biotechnology W. Alt d. J. Kreft
Zeitgruppe II
20.11. - 15.12.2006
IZMB, Raum 408/409
Modellbasierte Datenauswertung in der Neuro- und Zellbiologie W. Alt
Zeitgruppe IV
25.9. - 6.10.2006
IZMB, Raum 408/409
Rechnerpraktikum zur Systembiologie - Simulationsmodelle in den Lebenswissenschaften (halber Block) W. Alt
Vorlesung
Mittwochs, 17 - 19 Uhr
IZMB, Raum 408
Molekulare Biophysik W. Alt d. M. Rost

Seminar zur Theoretischen Biologie: Mechanismen und Modelle der Zellmigration

Termin: Dienstags, 17-19h
Leitung:
Wolfgang Alt, Joachim Kappler (Physiol. Chemie) und Gregor Kirfel (Zellbiologie)
Ort: IZMB, Raum 408

Beschreibung:
Migration einzelner Zellen auf 2-dimensionalen Substraten bzw. in 3- dimensionalen Medien spielt in etlichen ökologischen und physiologischen Situationen eine wichtige Rolle. Im Seminar behandelte Beispiele sind die amöboide Bewegung des Schleimpilzes Dictyostelium, die Anhaftung und Invasion von Leukozyten in Blutgefäßen, die Wanderung epithelialer Keratinozyten während der Wundheilung und die Navigation neuronaler Vorläuferzellen bei der Morphogenese des Gehirns. Trotz einiger Differenzen der Bewegungsmechanismen, die in den einzelnen Referaten auch dargestellt werden sollen, sind die Prinzipien der molekularen Wechselwirkungen, deren biochemischer Regulation sowie der physikalischen Mechanismen von Krafterzeugung und Kraftübertragung im wesentlichen die gleichen. Auch die Induktion von Zellpolarität, die Ausbildung von Adhäsionsstrukturen und chemo- oder haptotaktische Bewegungs-Response scheinen universelle zellbiologische Prozesse zu sein. Durch theoretische Erfassung von möglichen Signaltransduktionen, durch mathematische Modellierung von molekularer Kinetik und Dynamik sowie durch entsprechende Rechner- Simulationen können solche Hypothesen quantitativ dargestellt und so besser geprüft werden. Dieses interdisziplinäre Seminar wendet sich an Studierende und Mitarbeiter aus den Bereichen Zellbiologie, Physiologie oder Anatomie, aber auch der Biophysik, Mathematik oder Bioinformatik. Das methodische Spektrum von angebotenen Referate und eventuellen Rechner-Simulationen wird dem fachübergreifenden Charakter des Seminars angepasst sein.

Vorkenntnisse und Voraussetzungen: Grundkenntnisse in der Zellbiologie, Interesse an mathematischen Modellen und Rechner-Simulationen.

Bedingungen für die Scheinvergabe: Halten eines Referats oder Präsentation eines Rechner Simulationsmodells, Ausarbeitung eines Handouts.

Vorbesprechung und endgültige Referatvergabe: Di, 17. Oktober 2006, 17:15 Uhr, IZMB, Kirschallee 1, Raum 408. Vorzeitige Anmeldung, Referatvergabe und Informationen bei Wolfgang Alt, Abteilung Theoretische Biologie, Kirschallee 1, 53115 Bonn, Tel: 73-5577, e-mail: wolf.alt@uni-bonn.de

Teilnehmerzahl: 14

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8110 Blockpraktikum: Mathematical models and computer simulations in microbiology and biotechnology
Ökumblock

Termin: 1. Zeitgruppe (24.10. - 18.11.2006)
Leitung:
Wolfgang Alt durch Jan Kreft

Description: Please note that this course consists of two consecutive two-week modules that are taught in English and may be attended by students enrolled in Diplom-Biologie or Master in Molecular Biotechnology curricula. While we would like to encourage students to participate in both modules to take full advantage of synergistic effects, the modules are separate and can be taken and credited independently (6 credits per module for Master students, ein Schein für einen halben oder ganzen Block für Diplom-Studenten).

Module 1: Growth of microorganisms in nature's own and our bioreactors (first two weeks) This module deals with the population level of organisation. We will learn how the growth of microorganisms in various types of reactors such as chemostats, multi-stage chemostats, and fed-batch cultures can be described by mathematical models in order to understand and predict the growth and stability of pure and mixed cultures of microorganisms. This will include the dependence of growth on substrate and product concentrations as well as positive and negative metabolic interactions between different species in mixed cultures. These interactions are central to Microbial Ecology and many ecological principles can be studied using these microbial systems: Biotechnology is actually Applied Ecology where the environment is engineered in such a way as to foster just the growth or activity of the desired organisms.

Module 2: Metabolic networks in microorganisms (last two weeks) This module deals with the cellular level of organisation. We will try to gain an understanding of the evolution and characteristics of metabolic networks as the basis for metabolic engineering in a rational way. Learning various approaches to model metabolic fluxes such as Stoichiometric Models (Flux Balance Analysis, Network Decomposition into Flux Modes or Extreme Pathways) and Kinetic Models (Metabolic Control Analysis, dynamic non-linear models) will allow us to answer questions such as the following: Why can over-expression of key catabolic enzymes result in a reduced metabolic flux and growth rate? Have metabolic pathways such as glycolysis evolved to maximize the rate of ATP production or other goal functions? What is the optimal pathway length and design?

Vorkenntnisse und Voraussetzungen:Grundkenntnisse in Mathematik und Mikrobiologie wären nützlich, geringere Vorkenntnisse erfordern ein entsprechend stärkeres Engagement.

Ort der Blockplatzvergabe: IZMB, Raum 408
Bedingungen für die Scheinvergabe: Aktive Teilnahme, Anfertigung der Protokolle, und Literatur-Referat.
Teilnehmerzahl: 12

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8122 Blockpraktikum: Modellbasierte Datenauswertung in der Neuro- und Zellbiologie

Termin: 2. Zeitgruppe (21.11. - 16.12.2006)
Leitung:
Wolfgang Alt

Kurzbeschreibung: Die aktuelle experimentelle Forschung der Biologie stößt zunehmend auf Probleme, in denen komplexe Funktionsbeziehungen aufgedeckt und erklärt werden sollen (etwa in der Neuroethologie oder der molekularen Zellbiologie). Dabei reicht die "klassische Statistik" mit ihrem Angebot an Standard-Tests nicht aus, weil hierzu nötige vereinfachende Annahmen oft nicht erfüllt sind. Vielmehr erforderlich, und zum Verständnis der biologischen Zusammenhänge überhaupt erst interessant, ist daher eine statistische Datenauswertung unter Benutzung von Modellen, die dem jeweiligen Problem angepasst sind und versuchen, mögliche Mechanismen der zugrundeliegenden Prozesse zu erfassen.
Mit Hilfe von Rechnerprogrammen und geeigneten Statistik-Paketen sollen im Laufe dieses Praktikums einige typische Auswertungs-Probleme der Neurophysiologie, Neuroethologie und Zellbiologie anhand von speziellen Beispiel-Projekten behandelt werden: In Zweiergruppen am Arbeitsplatzrechner werden simulierte und experimentelle Datensätze graphisch dargestellt. Thematisch ist eine Auswahl aus folgenden Problemkreisen geplant:

Vorkenntnisse und Voraussetzungen:Grundkenntnisse in Statistik (Anfängerpraktikum), Bereitschaft zu projekt-orientierten Untersuchungen; Erfahrungen mit Rechner-Software ist vorteilhaft aber nicht vorausgesetzt (wir werden vornehmlich MATLAB benutzen).

Ort der Blockplatzvergabe: IZMB, Raum 408
Bedingungen für die Scheinvergabe: Anfertigung der Projekt-Protokolle in jeder Gruppe, Einführungs-Referat bzw. Abschluss-Präsentation.
Teilnehmerzahl: 12

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8145 1/2 Rechnerpraktikum zur Systembiologie – Simulationsmodelle in den Lebenswissenschaften

Termin: 2. Zeitgruppe (25.09. – 06.10.2006)
Leitung:
Wolfgang Alt

Kurzbeschreibung: Die neuere, durch die Erfolge der molekularen und zellulären Genetik verstärkte Entwicklung biologischer Theorien und mathematischer Modelle zu grundlegenden Problemen der Lebenswissenschaften wird auch unter dem Begriff „Systembiologie“ gefasst und betrifft wesentliche Teile der (älteren) Biokybernetik bzw. der (moderneren) Bioinformatik. Als prototypische Probleme, von denen einige in diesem Blockpraktikum mit Hilfe von Modellsimulationen am Rechner behandelt werden sollen, seien genannt:

Anhand ausgewählter Beispiele werden möglichst einfache Simulationsmodelle zur Beschreibung der wesentlichen Funktionen und Strukturen des jeweiligen Systems aufgestellt und mit Hilfe eines Rechnerprogramms (in der Interpreter-Sprache MATLAB) realisiert. Die in solchen ‚numerischen Experimenten’ gewonnenen Daten sollen dann ganz analog zu ‚echten’ Daten statistisch ausgewertet werden. Durch diesen praktischen Umgang sowohl mit Theoriebildung als auch mit Datenauswertung anhand kleinerer Übungsprojekte wird es leichter fallen, auch in komplexeren Systemen wesentliche Bezüge und Zusammenhänge zu entdecken, zu quantifizieren und so auch besser zu verstehen. Dieses (halbe, d.h.) zweiwöchige Ganztags-Praktikum in der vorlesungsfreien Zeit vor Beginn des Wintersemesters bietet sich mit seiner interdisziplinären Ausrichtung an für Studierende im Hauptfach Biologie, aber auch Mathematik oder Informatik, insbesondere auch im Master-Studiengang Life Science Informatics. Für letztere werden ca. 12 Plätze reserviert bleiben; entsprechende Anmeldungen bitte direkt beim Dozenten ( wolf.alt@uni-bonn.de oder Tel. 73-5577).

Vorkenntnisse und Voraussetzungen:Wichtiger als die üblichen Grundkenntnisse in Mathematik und Statistik sind Motivation und Bereitschaft für projektorientiertes Denken und Lernen unter Benutzung von Rechnerprogrammen.

Ort der Blockplatzvergabe: IZMB, Raum 408
Bedingungen für die Scheinvergabe: Erfolgreiche Durchführung und Protokollierung der Simulationsprojekte in Kleingruppen, Ausarbeitung und Vorstellung eines Einführungs- oder Ergebnis-Referats.
Teilnehmerzahl: 4 (weitere 12 Plätze im voraus für LSI-Master-Studierende)

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8074 Vorlesung: Molekulare Biophysik

Termin: Mittwochs, 17 - 19 Uhr
Leitung:
W. Alt d. M. Rost

Kurzbeschreibung: Biologisches Wissen entwickelt sich rapide auf dem Gebiet kleiner und kleinster Skalen und bedarf zur Beschreibung der Sprache der Physik und Mathematik. Ziel der Vorlesung ist es, diese Verbindung zu schaffen, Studierende der Biologie an interessanten Beispielen mit dieser Sprache vertraut zu machen, und denen aus Mathematik und Physik faszinierende biologische Anwendungen näherzubringen.
Nach einer kurzen geschichtlichen Einführung und einem Überblick über die molekularen Bestandteile der Zelle werden die Gundlagen der physikalischen Vorgänge in einer Zelle dargestellt, wie thermodynamische Gesetze, Diffusion und Bewegung in zähen Flüssigkeiten. Vor diesem Hintergrund werden nun biologische Phänomene vorgestellt: Selbstorganisierte Zusammenlagerung, z.B. von Amphiphilen zu Membranen, Surfactants auf Grenzflächen, mechanische Eigenschaften und Elastizität von Polymernetzen. In einem weiteren Schritt werden davon ausgehend Beispiele "aktiver" biologischer Dynamik erarbeitet, wie Enzymkinetik, molekulare Motoren, Ionenpumpen und Signalübertragung in Nerven und Synapsen. Die zweistündige Vorlesung richtet sich an Studierende der Biowissenschaften und Medizin, aber auch der Informatik, Mathematik, Physik und Chemie.

Vorkenntnisse und Voraussetzungen:Grundkenntnisse in Biologie und Mathematik, letztere nicht über im biologischen Grundstudium vermittelten hinaus. Mathematische und physikalische Vorstellungen werden jeweils direkt an den behandelten Systemen vorgestellt und hergeleitet.

Ort der Veranstaltung: IZMB, Raum 408
Teilnehmerzahl: 10 - 16

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