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Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri

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Projekt T1 : Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen W achstums- grammatiken unter GroIMP . Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri- schen Parametern (Grundlage: Artikel von Mündermann et al., 2005) - PowerPoint PPT Presentation

Text of Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri

  • Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri- schen Parametern (Grundlage: Artikel von Mndermann et al., 2005) Verknpfung biometrischer Parameter mit genetischer Information Arabidopsis thaliana ist DIE Modellpflanze der Genetiker: Morphologie vieler Mutanten beschrieben, sowie Verknpfung mit den sie verursachenden Genen Modellierung von Dominanz und Rezessivitt

  • Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP topologisches Modell:Geometrie der Blattform:

  • Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP Simulation der Entwicklung von Arabidopsis mit einem parametrischen L-System:

  • Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP XL-Modell der Gerste: Genom besteht aus einem Satz von zwei Chromosomen mit explizit lokalisierten Genen--> jedes Gen deklariert als zwei Allele (Zustnde, Formen) des gleichen Genlokus (z.B. Wildtyp, Mutante a, b, ...) Dominanz: Allel d am Lokus a bestimmt den Phnotyp gegenber allen anderen Allelen (z.B. r) am gleichen Lokus: d ist dominant gegenber r r ist rezessiv gegenber d (Es gibt auch bergnge, wenn Penetranz nicht gleich 100%) Epistasis: Allel de am Lokus a dominiert Allel re am Lokus b

  • Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP XL-Modell der Gerste: Verknpfung von Genetik, Morphologie und Physiologie:

  • Projekt T2: Zellbiologisches Modell von Blumeria graminis (Mehltau) Wirt-Parasiten-System Gersten-Mehltau (Blumeria graminis hordei - Bgh) Gerstenblattoberflche (Hordeum vulgare) Visualisiert werden soll der Entwicklungszyklus der Konidien (asexuellen Sporen) von Blumeria graminis hordei. Erweiterung eines XL-Modells des Lebenszyklus des Mehltaupilzes der Gerste in der GroIMP-Plattform Erwnschte Eigenschaften des Modells: Eignung fr die Erklrung von Methoden und Hypothesen v.a. im zellbiologischen Bereich im Rahmen von Prsentationen. Erstellung biologischer Grundobjekte (Spore, Hyphe, Haustorium, Epidermis-Zelle) als computergrafische 3D-Objekte in GroIMP Das XL-Modell soll die Entwicklung des Pilzes von der Keimung der Spore bis zur Bildung neuer Sporen darstellen. Implementierung des Transports von Assimilaten aus der Epidermiszelle in den Parasiten als Wachstumsmotor.

  • Blumeria graminis...eine wichtige Getreide-krankheit.anamorphteleomorph

  • 24 h nach Inokulation

  • 72 h nach Inokulation

  • teleomorphSimulation der Entwicklung in GroIMP:

  • Projekt T3: Topologische Analyse biochemischer Reaktionsnetzwerkebiochemische Netzwerke... ...haben eine Topologie:

  • Projekt T3: Topologische Analyse eines biochemischen ReaktionsnetzwerkesKonnektivitt von Knoten; kann dargestellt werden durch die Wahrscheinlichkeit P(k), da ein Knoten k Kanten aufweist:

    Fr ein zuflliges Netzwerk (a)weist P(k) einen starken Peakk = auf; bei groen k nimmtP(k) exponentiell ab.

    In einem skalenfreien Netzwerk (c) weisen die meisten Knotennur wenige Kanten (Links) auf, einige Knoten (Hubs) jedoch eine sehr groe Anzahl von Links. Ein solches Netzwerk hat keinen Peak fr P(k), fr groe k istP(k) k- (Steigung - in derlogarithmischen Darstellung)

  • Projekt T3: Topologische Analyse eines biochemischen ReaktionsnetzwerkesAufgabe: ein Tool (in GroIMP) zur topologischen Analyse eines biochemischen NetzwerkesEingabe: Netzwerkspezifikation (XML-Format)Ausgabe: Anzahl Knoten/Kanten, Konnektivitt, zentraler Knoten, Clustering coefficient, mittlere Pfadlnge, Netzwerktyp (Kategorie, z.B. skalenfrei), Dimensionalitt

  • Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flchen in GroIMP Biomorphs: von Richard Dawkins (engl. Zoologe) geschaffene, virtuelle KreaturenPrinzip: iterative Erzeugung einer Strichgrafik (Baum), gesteuert durch einen simplen Genotyp, bestehend aus 9 Genen: Gene: 1) Orientierung und Lnge der Striche (8): 19 Allele (-9, -8,..., 0, ..., 8, 9), 2) Rekursionstiefe des Baumes (1): 10 Allele (0..9)==> riesiger multidimensionaler Parameterraum: zu gro, um vollstndig durchschritten zu werden.Allelwert steuert direkt ber Entwicklungsregeln Orientierung und Lnge eines StrichesPopulation: 15 Biomorphe, Nutzer whlt interaktiv einen Biomorphen aus, dieser reproduziert sich in der nchsten Generation.Reproduktion: Mutation des parentalen Genotyps (zufllige Verschiebung jedes Genwertes um 1) und Erzeugung 15 neuer Individuen, deren Genotyp sich vom parentalen Genotyp geringfgig unterscheidet.

  • Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flchen in GroIMP

  • Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flchen in GroIMP

  • Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flchen in GroIMP Umsetzung als XL-Modell: Nutzerinteraktion: Auswahl von 1 oder 2 Biomorphen (asexuelle oder sexuelle Reproduktion) sexuelle Reproduktion: Mutation und genetische Rekombination (crossing-over):

  • Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flchen in GroIMP BAMZOOKI: ein Lern-/Spielprojekt von Children's BBC:www.bbc.co.uk/cbbc/bamzooki/Aufgabe:Erstellung insektenartigerBiomorpheErsetzung der Strichgrafikendurch NURBS-Flchen

  • Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMP Taxonomische Bume dienen der Visualisierung von Verwandt- schaftsverhltnissen zwischen "Taxa" (Familien, Gattungen, Arten, Sorten, Populationen) in der Tier- und Pflanzenwelt Datenquellen: Merkmale, die zwischen den Taxa eine erhebliche Variation aufweisen, d.h. sich unterscheiden. Je weniger Unterschiede ... ...desto grer die Verwandtschaft ...desto jnger die Abspaltung der Taxa voneinander ...desto nher die Taxa zueinander im Baum morphologische Merkmale (Bltenfarbe, Blattlnge, ...) kurze (30-100 Basenpaare) DNA-Sequenzen (Kern-DNA, Chloroplasten-DNA) oft verwendete DNA-Bereiche: nicht-kodierende Sequenzen ausserhalb eines Gens: grere Variabilitt, da hier Mutationen 'gesammelt' werden, z.B. trnL-trnF intergenic spacer (Sequenz aus der Chloroplasten-DNA)

  • Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMP Aufgabe: Nachbau eines Teils der Funktionalitt des Programms ClustalW (http://www.ebi.ac.uk/cgi-bin/clustalw) in GroIMP: Eingabe: Multiple Sequenzen (Fasta) bzw. ClustalW-Ausgabeformat (DND) Ausgabe: verschiedene Baumdiagrammerooted tree:unrooted tree:

  • Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMPslanted cladogram:rectangle cladogram:

  • Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten Als Transkriptom wird die Gesamtheit aller mRNA-Spezies einer Zelle unter jeweils bestimmten Bedingungen definiert. Die Transkriptomanalyse ermglicht die vollstndige, "globale" Erfassung des Genexpressionsstatus eines Organismus unter definierten Bedingungen. Wesentliche Voraussetzung dafr: (vollstndige/partielle) Sequenzierung des Genoms. Auf der Grundlage der so ermittelten (Total)sequenz ist es mglich, sogenannte DNA-Arrays ("DNA-Chips") fr die Transkriptomanalyse herzustellen. Proteomanalyse: Globale Analyse des Protein-Pools einer Zelle unter definierten Bedingungen. Noch wichtiger als Untersuchung des Transkriptoms, da Proteine die eigentlichen Akteure im zellulren Geschehen sind. Nachteile: Feinauflsung der Proteomanalyse aus technischen Grnden erheblich unter derjenigen des Transkriptoms. Proteomanalyse erfasst stets nur einen Teil der Proteine Die globale Charakterisierung der Genomexpression mittels Transkriptom- und Proteomanalyse wird unter dem Oberbegriff "Funktionelle Genomanalyse" (functional genomics) zusammengefasst.

  • Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten Makroarrays erlauben die gleichzeitige Bestimmung der Genexpression (d.h. Genaktivitt) eines Organismus ==> sogenannte Transkriptomanalyse Ein Makroarray besteht aus einer Trgermatrix (Nylon), auf der in einem definierten zweidimensionalen Koordinatensystem DNA-Fragmente fixiert sind. Diese entsprechen identifizierten Genen. Ein Makroarray reprsentiert also (oft) das gesamte bekannte Genom eines Organismus. 3 Subarrays, bestehend aus jeweils 16 x 24 Sub-Subarrays:Sub-Subarray: 5 x 5 spots2 background spots: mgliche Anzahl berprfbarerGene: 3 x 16 x 24 x 11 = 12672.

  • Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten Methodik der Transkriptomanalyse:1) RNA-Prparation: Kultur des Organismus unter verschiedenen Bedingungen, die verglichen werden sollen. Anschlieende Isolation der Total-RNA aus den Kulturen.2) Reverse Transkription: Umschreibung der mRNA in DNA durch reverse Transkription ==> cDNA (copy-DNA); letztere wird dabei gleichzeitig radioaktiv markiert. Entfernung der RNA. Verbliebene cDNA reprsentiert den mRNA-Pool = Transkriptom, zum Zeitpunkt der Probenentnahme. 3) Sukzessive Hybridisierung: Nacheinander Inkubation des Makroarrays mit beiden cDNAs, dabei Entfernung der ersten cDNA-Prparation vor dem Einsatz der zweiten. cDNA-Molekle binden dabei an ihre komplementren Gegenstcke auf dem Macroarray. Signalstrke auf dem Array ist Funktion der Menge an genspezifischer RNA = geb

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