Computational Systems Biology

Die Vorlesung im Bioinformatik/Informatik Masterstudium behandelt folgende Fragen und Probleme:

• Wie kann Wissen über biologische Systeme durch Netzwerke repräsentiert und integriert werden? (semantische Netze, Knowledge-Graphen)
• Wie können biologischer Systeme durch Netzwerke möglichst vollständig und holistisch beschrieben werden? (Netzwerkrekonstruktion und Inferenz)
• Wie können zeitliche und räumliche Organisation und Verhalten von Systemen analysiert und vorhergesagt werden? (Kinetik, Simulation, Invarianten, Selbstorganisation)
• Moderne Messverfahren und „genom-weite“ Hochdurchsatzverfahren:
  • Wie können Daten helfen, Systeme und Netzwerke aufzuklären?
  • Wie können umgekehrt Systemmodelle helfen die Daten besser zu interpretieren?

Hintergrund

Durch die Sequenzierung des menschlichen Genoms und der Genome anderer Organismen verfügen wir nun über ein vollständiges Inventar aller direkt aus dem Genom ableitbaren Einheiten und Moleküle, im Wesentlichen also aller Gen, Protein und RNA Spezies. Weiterhin kann das Verhalten von Zellen auf der Ebene der Transkription mit Hilfe von Genexpressionsmessungen genomweit untersucht werden. Die Kombination mit anderen "high-throughput" Techniken erlaubt es, auch Aussagen über metabolische Stoffwechselwege, Protein-Interaktionsnetze und Gen-Regulationsnetze („Pathways“) zu treffen. Diese Fälle von experimentellen Daten ermöglicht es, biologische Systeme auf der Ebene von Pathways und Netzwerken zu untersuchen und zu modellieren, d.h. auf einer höheren Organisationsstufe als die der individuellen Moleküle. Dazu müssen SYSTEMS BIOLOGY Perspektiven entwickelt werden, zusammen mit den nötigen Techniken und Algorithmen zur Konstruktion, Inferenz und Analyse komplexer biologischer Modelle.

Die Vorlesung gibt einen Einblick in Algorithmen und Anwendungen sowie in aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Systembiologie. Über das hier erworbene Wissen hinaus werden praktische Erfahrungen mit den Problemstellungen und Methoden in der begleitenden Übung vermittelt.

Die folgenden Themen werden behandelt:

• Modellierung von biologischen Systemen: Werkzeuge und Methoden
• Petri Netze als Modellierungs-Framework
• Simulation mit Differenzialgleichungen (ODE)
• Stochastische Simulation
• Metabolic Control Analysis (MCA) und Flux Balance Analysis (FBA)
• Modellierung von biologischen Systemen
• Netzwerkrekonstruktion und Lernen in Netzen: Boolsche und Bayes-Netze
• Evolution und Selbstorganisation

Das Modul Computational Systems Biology (CSB2020) kann in zwei Varianten absolviert werden: 4V (6 ECTS) oder 4V+2Ü (9 ECTS).

Prüfung und Schein

Die “normalen” Anforderungen für den Schein in dem Modul ist das Bestehen der benoteten Klausur (120 Min) am Ende des Semesters. In der Klausur müssen ähnliche Aufgaben wie in der Übung erfolgreich bearbeitet werden. Das Klausurergebnis bestimmt die Note.
Für das 9 ECTS Modul (4V+2Ü) ist zusätzlich die erfolgreiche Teilnahme an der Übung erforderlich, d.h. regelmäßige aktive Teilnahme an der Übung (Vorrechnen) und 50% der Punkte aus den Übungsaufgaben.

Im SS2020 (Corona, keine Präsenzlehre, Online-Kurs) ist die Prüfung/Benotung wie folgt:

Die erfolgreiche Teilnahme an der Übung besteht in der regelmäßigen, aktiven Teilnahme an den (Online) Übungen (Vorrechnen/-führen auch Online). Es gibt mehr Übungsaufgaben für die Bearbeitung zu Hause, deshalb entfällt das 50% Punktekriterium. Übungsaufgaben können einzeln oder in Gruppen bearbeitet werden.
Der Schein und die Note (6 und 9 ECTS) wird auf Basis einer Laborleistung vergeben, die in der Bearbeitung der Projektaufgaben bestehen (Programme, reproduzierbare Ergebnisse und Report/Paper). Es gibt vermutlich 4 Themenbereiche mit Projektvorschläge alle 3 Wochen, aus denen Teilprojekte für die Laborleistung ausgewählt werden können. Der erste Projektvorschlag enthält z.B. 1 (Propädeutikum) + 10 Aufgaben = Teilprojekte. Teilprojekte können einzeln und in Gruppen (beliebige Kombination) bearbeitet und abgegeben werden. Die Bearbeitung und Abgabe der Projekte ist bis zum Semesterende möglich.
Für die Bestnote sollte mindestens ein Teilprojektaus jedem Themenbereich und insgesamt mindestens 6 Aufgaben abgegeben werden. Die Bearbeitung nach Kriterien wissenschaftlicher Paper (Zitierungen, Belege und Evidenz für Aussagen, Programmergebnisse) und individuelle Leistungen (bei Gruppenarbeiten) sollten erkennbar werden.
Wer keine Laborleistung erbringt, könnte wahlweise auch die übliche Klausur (120Min, s.o.) schreiben (ob die angeboten wird hängt von den Corona-Umständen und den Regelungen der LMU zu Klausuren ab, in individueller Absprache kann das im August 2020 vermutlich realisiert werden).

The module exam is unclear in this summer semester due to the ongoing Corona COVID19 crisis. Prerequisite is regular participation in the (online) courses and 50% of the points from the tasks in class. The module exam is usually a written exam at the end of the semester. However, it may be that the exam is replaced by project work. The exact modalities of the project work (practical programming work, seminar work) and the time schedule (deadline at the end of the semester or during the semester break) will be announced in time (in coordination with the participants of the event).