ReaktionsnetzwerkAnalysen

ReaktionsnetzwerkAnalysen bezeichnet ein interdisziplinäres Forschungsfeld, das die Struktur und Dynamik von Netzwerken chemischer Reaktionen untersucht. Typische Beispiele sind Stoffwechselnetze, Signalkaskaden in Zellen sowie katalytische Netzwerke in der Chemie. Ziel ist es, systematisch zu verstehen, wie Reaktionsmechanismen, Konzentrationen und Parameter das Verhalten des gesamten Netzwerks bestimmen.

Methodisch verbindet das Feld graphentheoretische Analysen, die Stoichiometrie und Netzwerktopologie mit dynamischen Modellen. Häufig werden Massenaktionskinetik oder deterministische bzw. stochastische Modelle verwendet, um zeitliche Abläufe zu beschreiben. Wichtige Ansätze sind die Flussanalyse (Flux Balance Analysis, FBA) und weitere restriktionsbasierte Rekonstruktionstechniken (z. B. COBRA), sowie Sensitivitäts- und Stabilitätsanalysen, Parameterabschätzung und Identifizierbarkeitsstudien.

Anwendungen finden sich in der Systembiologie, beim Metabolic Engineering, der Identifikation von Arzneimittelzielen, der Optimierung industrieller Prozesse sowie in der Umweltchemie. Beispiele reichen von der Bestimmung intrazellulärer Stoffwechselflüsse in Escherichia coli bis zur Modellierung von Signalketten in Zellen und der Vorhersage von Reaktionsverläufen unter variierenden Bedingungen.

Daten und Werkzeuge spielen eine zentrale Rolle: Experimentelle Messungen (Metabolomik, Proteomik, Transkriptomik) liefern Parameter und Validierungspfade, während Softwarepakete wie COPASI, CellDesigner, das COBRA-Toolkit, PySCeS oder PySB gängig sind. Typische Herausforderungen sind Parameterunsicherheit, Skalierungsprobleme, Modellkomplexität und die Validierung der Modelle gegen unabhängige Daten.