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18.11.2008

Vermessung von Zellsystemen – Biologische Aufklärungsarbeit mit Hilfe der Mathematik: DECHEMA-Preis für Wolfgang Wiechert, Universität Siegen

Den mit 20.000 Euro dotierten DECHEMA-Preis der Max-Buchner-Forschungsstiftung erhält in diesem Jahr

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Professor Dr. rer.nat. Wolfgang Wiechert von der Universität Siegen

Er wird ausgezeichnet für seine „bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet der Modellierung von Stoffwechselvorgängen, die zu einer quantitativen und experimentell gesicherten Beschreibung biologischer Systeme und ihrer industriellen Nutzung führen“. Die Preisverleihung findet am 28. November 2008 um 16.00 Uhr im Rahmen eines Festkolloquiums im DECHEMA-Haus, Theodor-Heuss-Allee 25, in Frankfurt/Main statt.

Der DECHEMA-Preis der Max-Buchner-Forschungsstiftung wird seit 1951 jährlich vergeben. Damit werden herausragende Forschungsarbeiten aus den Bereichen Technische Chemie, Verfahrenstechnik, Biotechnologie und Chemische Apparatetechnik gewürdigt. Besonders Arbeiten jüngerer Forscher werden dafür berücksichtigt, die von grundsätzlicher Bedeutung sind und eine enge Verflechtung von Forschung und praktischer Anwendung zeigen.

Fotos des Preisträgers und von der Preisverleihung sind erhältlich bei der Öffentlichkeitsarbeit der DECHEMA e.V., Tel.: 069/7564-442, Fax: 069/7564-272, E-Mail:


Die Vermessung der Zelle: Auf dem Weg zu einer quantitativen Biologie

Präzise Messmethoden und eine mathematische Beschreibung der beobachteten Phänomene werden bis heute eher als ein Kennzeichen der Physik als der Biologie betrachtet. Mit der Verfügbarkeit neuer Methoden, die in kurzer Zeit viele Daten über die Strukturen und Prozesse in einer Zelle liefern, rückt eine mathematische Beschreibung biologischer Systeme jedoch in den Bereich des Möglichen. Ein neuer Zweig der Biologie – die Systembiologie – hat sich auf die Fahnen geschrieben, die komplexen Regulationsnetzwerke von Zellen aufzuklären, mit systemtheoretischen Mitteln zu verstehen und die Ergebnisse zur Anwendung zu bringen. Da der Umgang mit komplexen Systemen eine klassische Ingenieurdomäne ist, sind in diesem Arbeitsgebiet heute viele Systemwissenschaftler aus dem Ingenieurbereich anzutreffen.

Wolfgang Wiechert befasst sich seit 15 Jahren mit der Vermessung und quantitativen Beschreibung biologischer Netzwerke. Er war maßgeblich beteiligt an der Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung von Stoffflüssen in lebenden Zellen. Als studierter Mathematiker trug er vor allem zur relativ komplizierten mathematischen Theorie hinter der Methode bei. Die Stoffflussanalyse macht sichtbar, wie die einzelne Zelle den aufgenommenen Nährstoff (meist Glukose) im Stoffwechsel umsetzt und für die Ener­giegewinnung oder den Aufbau der Zellmasse nutzt. Sie wird heute weltweit als Werkzeug eingesetzt, um den Effekt genetischer Veränderungen im Zuge der Entwicklung biotechnologischer Produktionsstämme zu diagnostizieren. Stoffflüsse sind dabei nur selten direkt messbar; meist müssen die Informationen indirekt beschafft werden, in dem man die Zelle mit 13C-markierter Glukose füttert und dann beobachtet, wie sich der Spurstoff über das Stoffwechselnetzwerk verteilt.

Man kann sich das Wachstum einer Zelle wie einen Hausbau vorstellen, bei dem in genau festgelegten Proportionen bestimmte Bausteine benötigt werden. Die Zelle muss also über Mechanismen verfügen, die den Nachschub an „Material“ genau regulieren. Werden diese Mechanismen gezielt gestört, kann die Zelle dazu gebracht werden, einen Baustein im Überfluss zu produzieren. Dies ermöglicht wiederum die industrielle Produktion von chemischen Substanzen mit Mikroorganismen.

Um mehr über die Regulationsnetzwerke einer Zelle zu erfahren, befasste sich die Arbeitsgruppe von Wolfgang Wiechert mit der Auswertung von Pulsexperimenten. Dabei wird der Nährstoff Glukose nach einer Hungerphase schlagartig bereitgestellt. Zellen reagieren auf ein solches plötzliches Überangebot mit sich schnell verändernden Stoffflüssen, die durch zeitaufgelöste Messung der Stoffkonzentrationen beobachtbar werden. Durch Auswertung dieser Metabolomdaten auf Grundlage von mathematischen Modellen konnten Aussagen über die Regulationsmechanismen abgeleitet werden. Dieser Weg führt schrittweise zu einer quantitativen durch mathematische Modelle gestützten Sicht der Zelle. Diese Ergebnisse dienen dann wiederum den Ingenieuren als Grundlage für eine Bioprozessentwicklung.

Beruflicher Werdegang des Preisträgers

Wolfgang Wiechert (Jahrgang 1960) wechselte nach Abschluss seines Mathematik- und Informatikstudiums an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn in die damals neu gegründete Abteilung Theoretische Biologie am Botanischen Institut, um die erlernten Methoden in die Anwendung zu überführen. Nach Aufbaustudien in Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik promovierte er 1990 mit Auszeichnung über ein Thema aus der Bioprozessdatenanalyse. Er wechselte dann an das Institut für Biotechnologie 2 des Forschungszentrums Jülich. 1986 fasste er seine Forschungsergebnisse über die Grundlagen für die Methode der Metabolischen 13C-Stoffflussanalyse in seiner Habilitationsschrift zusammen und erhielt im gleichen Jahr einen Ruf auf die Professur für Simulationstechnik am Institut für Mechanik und Regelungstechnik des Fachbereichs Maschinenbau an der Universität Siegen. 2001 wurde die Entwicklung des theoretischen Fundaments der 13C-Stoffflussanalyse mit dem “9th Bellman Prize“ der Zeitschrift Mathematical Biosciences ausgezeichnet.

2006 verbrachte er ein halbes Jahr als Gastprofessor am Institute for Computational Science und am Institute for Molecular Systems Biology der ETH Zürich. Vor kurzem erhielt Prof. Wiechert den Ruf auf die Direktorenstelle am Institut für Biotechnologie 2 des Forschungszentrums Jülich.

Wolfgang Wiechert ist Sprecher des Siegener Forschungszentrums für Multidisziplinäre Analysen und Angewandte Systemoptimierung (FOMAAS), das sich mit der rechnergestützten Modellierung, Analyse, Simulation und Optimierung komplexer Systeme befasst. Er leitet den Arbeitskreis Systembiologie und Synthetische Biologie der DECHEMA und ist seit mehreren Jahren im Vorstand der Deutschen Simulationsgemeinschaft ASIM für das Ressort Lehre und Ausbildung zuständig.

31/2008

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