250075 VO Mathematics of Reaction Networks (2025W)
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Sprache: Englisch
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- Montag 06.10. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 13.10. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
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- Montag 24.11. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 01.12. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 15.12. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 12.01. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 19.01. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
- Montag 26.01. 08:00 - 09:30 Seminarraum 10 Oskar-Morgenstern-Platz 1 2.Stock
Information
Ziele, Inhalte und Methode der Lehrveranstaltung
Wir geben eine Einführung in die Modellierung chemischer/metabolischer Systeme als Reaktionsnetzwerke.Jedes biologische System ist chemisch 'implementiert', deshalb reicht es in der mathematischen Biologie nicht aus, 'network science' zu betreiben, sondern spezieller 'Reaktionsnetzwerke' zu betrachten. Eine typische Reaktion ist von der FormA + B -> C,d.h. zwei 'Agenten' (Moleküle) A und B treffen sich, 'verschwinden', und C entsteht. Das unterscheidet sich sehr vom Treffen zweier Agenten, einem Informationsaustausch, und einem wieder Auseinandergehen der beiden. Insbesondere kann C ganz andere Eigenschaften als A und B haben. Gerade solche (chemische) Reaktionen erlauben es molekularbiologische (aber auch ökologische und epidemiologische) Systeme mechanistisch (!) zu modellieren.Unsere mathematischen Methoden kommen aus der Graph Theorie, der Theorie dynamischer Systeme, der polyhedralen Geometrie, und der Optimierung.Mehr Details in der englischen Beschreibung:AimsFundamental cellular functions including signaling, gene regulation, and metabolism involve numerous molecular species interacting via chemical reactions. More than one century of biochemistry and several decades of molecular biology have provided an unprecedented window into the complexity of such chemical reaction networks in living cells. Recent experimental techniques even allow real-time observations of complex dynamical behaviour such as hysteresis, oscillations, and stochastic fluctuations.Mathematics has played a pivotal role in coping with the complexity of chemical reaction networks and is a cornerstone of current systems biology. In this lecture, we will consider two modeling frameworks in more detail.ContentsChemical networks: Many cellular systems can be modeled as networks of chemical reactions, often with mass-action kinetics (leading to ordinary differential equations with polynomial right-hand sides). Interestingly, for large classes of networks, the qualitative behaviour of the dynamical systems is independent of the system parameters.In this lecture, we will prove a classical result that guarantees existence, uniqueness, and stability of positive equilibria independently of the rate constants (for networks with deficiency zero). Moreover, we will study extensions of the theory to systems with generalized mass-action kinetics.Metabolic networks: As a particular cellular system, metabolism is modeled as a network of enzymatic reactions, often without exact knowledge of the kinetics. Since cellular organisms survive and reproduce in complex environments under permanent evolutionary pressure, metabolic pathways are assumed to be highly adapted, and optimality principles are used to study the organization of metabolism. Traditionally, the analysis of genome-scale metabolic models is based on stoichiometric data, leading to linear programs for fluxes (steady-state reaction rates).In this lecture, we will also consider kinetic data and study optimal enzyme allocation, leading to nonlinear problems. Importantly, optimal solutions are (combinations of) elementary flux modes (elementary vectors of the flux cone), representing minimal metabolic pathways.MethodsFor the study of chemical and metabolic networks, we combine concepts and methods from graph theory, dynamical systems, polyhedral geometry, and oriented matroids (such as Laplacian matrices, Lyapunov functions, polyhedral cones, and elementary vectors).
Art der Leistungskontrolle und erlaubte Hilfsmittel
Mindestanforderungen und Beurteilungsmaßstab
Prüfungsstoff
Literatur
Zuordnung im Vorlesungsverzeichnis
MBIV; ML2; MEL
Letzte Änderung: Di 03.03.2026 16:07