Das
Ulm-Projekt: Eine Kollaborative Bemühung
Mathematischer Aufbau und
Evolution der menschlichen Zelle, Geweben und Organe—und seiner
Pathophysiologie—„von Grund Auf“
Hallo, meine
Freunde, Kollegen und neugierige Passanten auf dieser Seite. Ich heiße Dr. J. (Jacob) Wes Ulm. Ich bin zurzeit Assistenzarzt in der
Kinderheilkunde in California, aber ich hab’ auch neulich auf Harvard Medical
School mein Staatsexamen gemacht, wo ich 2006 meinen Universitätsabschluss als
MD/PhD (mit Forschung in Virologie und Gentherapie) verdient habe.
Selbst-Entwickelnden
Differentialgleichungen und Computer-Kode—Die Werkzeuge, eine Zelle zu bauen
Seit mehr als 6
Jahre—mit Beginn ungefähr in der Mitte meines PhD Programms-- hab’ ich ein ganz
großes Interesse aufgezogen, in der Möglichkeit, eine Menschliche Zelle
wesentlich „von Grund auf“ zu entwickeln und aufzubauen. Das heißt, ich will mit elementaren
Komponenten anfangen, dann mathematische „Auswahlsregeln“ wiederholt und
rekursiv anwenden (und sie sich selbst fein abstimmen), um eine menschliche
eukaryotische Zelle mit vollen selbst-aufrechterhaltenden Fähigkeiten zu
schaffen.
Spezifisch
bedeutet das hier: Ich will mit
wesentlich mathematischen Darstellungen der gründlichen Makromolekülen der
eukaryotischen Zelle (Aminosäuren und Proteinen, Nukleotiden, Lipiden, und
Kohlenhydraten) anfangen, dann variierende Auswahlsregeln—beide „positive“ und
„negative“ Auswahlsregeln—anwenden, um die Zelle selbst (mindestens ihre
mathematische Vorstellung) zu erzeugen und allmählich zu entwickeln, und danach
auch Geweben und Organe in ähnlichen Weisen zu erzeugen. Im Grunde wird die resultierende
mathematische Struktur—wie ein Computerprogramm—als Muster für die Zelle, ihre
Komponenten, und ihre Selbstregulation (d.h. ihre allgemeine Homöostase)
diene.
Um Pathophysiologie und
Krankheiten zu modellieren—und ihre Therapien zu forschen
Auch sehr
wichtig, wird dieses System als Vorlage dienen, um die Ursprunge von Pathophysiologie ganz präzis zu
vertreten. Wie wird unsere anders
wohlerzogene menschliche Zelle eine Krebszelle?
Wie reagiert sie unter Angriff pathogenischen Bakterien w.z.B. Staph oder Strep, oder exogenösen Toxine?
Wie entwickeln und vertreten wir fundamentalen zellularen Eigenschaften
wie die Zellteilung, die Apoptose, die Wanderung der Stammzellen, und die
Differenzierung?
Mit solchen
mathematischen Vorbilden vorhanden, und auch mit eine sehr genaue Geschichte
(tatsächlich eine präzise mathematische Beschreibung) ihrer Evolution und die
Abweichen der Pathologie, so hätten wir ein sehr kraftvolles Werkzeug, um
menschlichen Zellen, Geweben, und Organe genau zu studieren—und diagnostichen
und therapeutischen Interventionen schneller zu entwickeln. Tatsächlich stelle ich mich sowie eine
„Werkzeugausrüstung“ vor, um Fortschritte besonders in Fächern wie Gentherapie
(und andere Forme Molekülartherapie) und Gewebezüchtung zu erleichtern. Das
Projekt soll wirklich als „Roadmap“ dienen, um die Ausgangspunkt eine
spezifische Form Pathophysiologie und Dekompensation genau zu identifizieren,
und auch wie diese Störung zu
reparieren.
Eine grobe
Analogie wäre die Beziehung zwischen den Genotyp—d.h. die Information-tragende
Einheit einer Zelle—und den Phenotyp, d.h. das Außere der Zelle, der vom
Ausdruck des Genotyps folgt. Eine andere
Analogie wäre die Rechnersimulationen von sehr komplexen graphischen Umwelten,
um eine „Virtuellwelt“ zu bilden, die eine sehr starke und offenbare
physikalische Gegenwart hat. Z.B. die
Grafik-Enginen, Spiel-Enginen, und Episode-Karten von jetzt sehr populären
PC-Spielen (w.z.B. die „Half-Life“ Serie) bestehen grundliegend aus Kode, der
in einer üblichen Computersprache (und deshalb auch in der Assemblersprache
einer spezifischen Computermarke) geschrieben wird. Durch die Kompilierung dieser ursprunglichen
Daten übersetzen wir die Kode um eine sehr komplexen und interaktiven
graphischen Welt zu erzeugen, die wir auf dem Bildschirm sehen. Durch die Wechselbeziehung des Kodes und der
graphischen Welt, die der Kode auf Kompilierung (und Ausführung) erzeugt, können
wir den Kode des Programms rational und präzis manipulieren, um die
resultierende Welt zu studieren und verändern.
Die evolutionare Geschichte
der Zelle und den Geweben aufzuschliessen—der Schlüssel, neue Molekülartherapien
zu finden
Im Ulm-Projekt
sind der Kode (mathematische Vorstellungen der Molekülen) und die resultierende
Welt (die Zelle, das Gewebe und das Organ) dynamisch verbindet, um die führbare
und beobachtbare Evolution zu erfordern und zu leisten. Dieses System deshalb versorgt uns mit einer
dynamischen, leicht erreichbaren
„Hintertür“, um die Natur der Zelle und ihr Benehmen zu beobachten. Natürlich normalerweise in den biologischen
Wissenschaften, studieren wir die ganze Säugetier-Zelle selbst—die komplexe
Struktur, schon seit Milliarden von Jahren entwickelt und so kompliziert
geworden. Aber diese übliche Methode
versteckt viel fundamentale Information der Zelle—besonders im Bezug auf die evolutionare Geschichte der Zelle.
Es ist genau
diese Geschichte, die wir am meisten brauchen, um den Kern einer spezifischen
Form von Pathophysiologie zu entwirren, und auch zu behandeln!
Dieses Projekt
bietet uns eine Alternative: Anstatt die
schon entwickelte und ganze Zelle zu studieren und dann reduktionist analysieren,
werden wir selbst Zellingenieuren und Zellschaffer werden—wir rekapitulieren
das zellulare Evolutionsverfahren sich selbst, nur beschleunigt, und diesmal können
wir jede Stufe aufzeichnen und beobachten.
Auch können wir total neue Eigenschaften und jetzt unbekannte und
unbeschriebene Phänomen entdecken, als sie in den verschiedenen
Evolutionsstufen erscheinen. Der Zweck
ist wesentlich so wie eine sehr detaillierte und genaue Karte zu ebener Erde zu
haben; tatsächlich eine Karte, die uns spezifisch zeigt, wie eine zellulare Störung
(und eine resultierende Krankheit) molekülweise erscheint, und wie dann, diese
Krankheit auch molekülweise zu korrigieren.
Tatsächlich soll
unser System, die uns die Evolution immer komplexere Zellen und Geweben ermöglicht,
auch die schnelle Evolution neuer Molekülartherapien
auch ermöglichen. Genau wie die
mathematischen Darstellungen unser Makromolekülen, Organellen, und Zellen
entwickeln sich in unseren simulierten Umwelt, so auch können wir die Evolution
unserer Therapien—durch ihre eigene mathematische Darstellungen—richten.
Spezifische Projekte, und
die wichtigsten Teilnehmer dieser Kollaboration: Sie, und Ihre Vorschläge
In
Zusammenfassung ist das Ulm-Projekt teilweise eine Bemühung, um die mathematische
und logische Verhältnisse von komplexen biologischen Systeme, besser zu
definieren. Teilweise ist es auch eine
Untersuchung, um die Faktoren, die die Entwicklung solcher Systeme
beinfliessen, zu isolieren und herauszufinden.
Teilweise ist es auch eine praktische kollaborative Bemühung, um die
Pathophysiologie von Krebs, ansteckenden Krankheiten, Autoimmunerkrankungen,
und anderen wichtigen Krankheitsklassen, besser zu charakterisieren, und dann
Therapien dafür zu entwickeln. Grundlagenwissenschaft
und innovative angewandte Forschung.
Im Kern des
Projekts ist natürlich die Evolution der Zelle (und dann die Geweben und
Organe) selbst. Dafür brauchen wir
zuerst die mathematischen Elementen selbst, und auch ihre resultierende
Strukturen, die in unsere simulierte evolutionarische Umwelt existieren—die
mathematischen Äquivalenten von den Makromolekülen (Proteinen, Nukleotiden
usw.), dann die Organellen w.z.B. das Mitochondrium, das Golgi-Apparat, der
Zellkern usw. Um die Evolution immer
mehr komplexere Strukturen zu modellieren, brauchen wir sowie ein
„Entwicklerprogramm“ (the „Evolver“), um die Änderungen einzuführen, und auch
ein „Wählungsprogramm“ (the „Selector“), um die Evolution der Zelle zu richten.
Im Aufbau unserer
Zelle, können wir dann einige interessante medizinische Fragen untersuchen,
w.z.B.:
- Was sind die Bedingungen, molekülweise,
wodurch unsere Zelle ihre Regulation verliert, und sich in eine Krebszelle
verwandelt? Und wenn wir diese
Verwandlungen sehr präzis mathematisch beschreiben und modellieren, wie
sollen war dann die Molekülartherapie am wirksamsten entwickeln? Letzten Endes ist der Krebs wie eine
Form von „Informationskrieg“—mit der Information, die die Krebszellen
enthalten, die diversere Information die umliegende Geweben wegdrängen. In der simulierte evolutionare Umwelt,
die hier beschrieben wird, untersuchen wir den Krebs doch auf dem Nivel
der Informationwettbewerb selbst.
- Wie modellieren wir Virusen in
unserem System, und außer den pathogenischen Virusen, wie modellieren wir
nutzbare Virusen oder „Viroiden“ wzB die Virusen, die man in Gentherapie
verwendet?
- Wie können wir die embryonische und fötalen
Entwicklung verschiedene Geweben und Organe vertreten? Ein sehr faszinierender Begriff in
Biologie und auch in Chemie und Physik ist „Emergenz“—die Maniere, wodurch
ganz neue Eigenschafte eines Systems auf höheren Organisationsniveaus
erscheinen, die nicht auf niedriger Niveaus offenbar sind. Die Komplexität einer Zelle ist nicht
durch ihre einzelne Komponenten offenbar; die Komplexität, Funktion, und Fähigkeiten
des Nervensystems ist nicht durch die einzelnen Neuronen und ihre
synaptischen Anschlüsse vorhersagbar.
Das Emergenz ist tatsächlich einer der fundamentalsten—und auch
wenig-studierten—Phänomen der Natur.
Mit unserem evolutionaren System, können wir die „Emergenzpunkten“
genauer festlegen. Spezifisch: Was sind die Regeln und die
Genausdruckskontrollefaktoren, die die sehr präzise Entwicklungen der
verschiedenen Keimblätter in diversen Geweben und Organe regieren? Diese Methode könnte vielleicht auch
helfen, die Verhältnisse zwischen sonst sehr verschiedene Organe erklären. Zum Beispiel, es gibt eine sehr
intrigante „Oto-Renal“ (Ohren-Nieren) Verbindung. Einige angeborene Krankheiten wie
Alportssyndrom, und auch Nebenwirkungen mancher Antibiotiken—w.z.B.
gentamicin und tobramycin—schaden spezifisch die Ohren und auch die Nieren
(den Glomerulus oder das Tubulus).
Natürlich gibt’s eine Entwicklungsverbindung zwischen diese zwei
sonst sehr verschiedene Organe. Können
wir durch den simulierten Aufbau dieser zwei Organe diese Verbindung
besser aufklären?
- Wenn wir eine „Organegemeinschaft“
bauen, dann wie können wir diese Organe lehren, was sind „Selbstgewebe“
und was sind „Fremdgewebe“ (z.B. Krebszellen)? D.h.—wie bauen wir ein Immunsystem?
- Eine verwandte Frage, und sehr
relevant im Bezug auf das Problem der Gewebetransplantation und auch,
vielleicht bald, die Gewebezüchtung: Wie können wir den Aufbau eines
neuen Organ schnell programmieren und dann—nach der
Transplantation—versichern, daß das Fremdorgan in unserem „simulierten Körper“
angenommen wird?
Natürlich gibt’s
viele andere interessante Fragen, aber mein Zweck hier ist, nur die Ideen von
Ihnen zu stimulieren. Wie ich oben
geschrieben hab’, ist dies ein kollaboratives Projekt, und jetzt ist es in
seiner frühen Stufen. Wir brauchen
kreative Menschen mit vielen verschiedenen Vorbildungen—Computerprogrammer und
Grafikexperten um zu helfen, den Kode zu bauen und den „Evolver“ und den
„Selektor“ zu schaffen. Wir brauchen
Wissenschaftler, die ein Interesse in der mathematischen Physiologie
haben. Wir brauchen auch natürlich
Arzten, die interessante Probleme vorschlagen und untersuchen können. Ich hab’ schon viel über den Kode, die
allgemeine Struktur, und die Anwendungen dieses Projekts untersucht; aber jetzt
will ich meine Vorschläge und mein dieses System mit der Gemeinschaft
verteilen, denn der Kraft und die Ideen von Ihnen zusammen ist riesig mehr, als
was ich selbst machen könnte.
Der Name „Das
Ulm-Projekt“ ist hauptsächlich ein Wortspiel auf meinen Name. Ich selbst bin Amerikaner, aber von meinem
Familienname können Sie meine Herkunft leicht sehen—meine Vorfahrer kamen aus
der Stadt Ulm, und wie es ein „Manhatten-Projekt“ und ein
„Philadelphia-Projekt“ und viele andere „Projekten“ anderen Städten gibt, so
jetzt gibt’s auch ein autentisches Ulm-Projekt.
Und weil es so fortgeschrittenes Interesse und Forschung in der
mathematische Physiologie in den deutschsprechenden Ländern gibt, ist das
Ulm-Projekt auf Deutsch. Aber ich bin
nicht der Besitzer des Projekts; das ist Ihre Rolle. Ich bin nur—or so ich hoffe—ein
inspirierender Geist des Projekts. Und
obwohl ich jetzt immer so beschäftigt bin—ein Assistenzarzt im USA hat kaum die
Zeit zu atmen—will ich noch oft gern mit Ihnen kollaborieren.
Also, los! Diese ist Ihre Schöpfung und Ihre Leistung,
und ich frohe mich sehr darauf, mit Ihnen zu arbeiten.
Alles beste,
J. Wes Ulm
MD, PhD
bravenet.com