Im menschlichen Körper befinden sich in der Bauchspeicheldrüse Beta-Zellen, welche Insulin produzieren und über dessen Abgabe an das Blut den Zuckerhaushalt regulieren. Damit stellen sie einen wichtigen Aspekt zu Forschungsfragen hinsichtlich Diabetes dar.
Aus ethischen Gründen soll zukünftig auf Tierversuche verzichtet werden, weshalb im biologisch-medizinischen Bereich aktuell nach effizienten Simulations-Methoden für eine Vielzahl von Fragestellungen gesucht wird. In diesem interdisziplinären Gebiet arbeiten wir mit Instituten aus dem biologischen und medizinischen Bereich zusammen.
So flossen vor allem Mikroskopie- und Konzentrationsmessungen der Forschungspartner-Institutionen in die Entwicklung unterschiedlicher problemspezifischer Modelle ein. Zu nennen ist hier beispielsweise ein Zellulärer Automat, welcher den Transport von Insulin-Granula durch die Zelle beschreibt. Dieser Transportprozess sowie die Insulinabgabe an das Blut hängen maßgeblich mit hochdynamisch veränderlichen Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle zusammen. In diesem Zusammenhang ist unser Ziel die ganzheitliche Modellierung und Simulation dieses Stoffwechsels und seiner Interaktionen.
Vor diesem Hintergrund wurde ein weiterer Zellulärer Automat entwickelt, der die Dynamik von Fusions-, Teilungs- und Transportprozessen von Mitochondriennetzwerken abbildet. Sie setzen aus dem Blut stammende Glucose zu ATP um und stellen damit die wichtigste Triebkraft des Zellstoffwechsels dar. Diese Prozesse wurden einerseits mit einem Satz Nichtlinearer Differentialgleichungen, andererseits mit ortsaufgelösten Reaktions- Diffusionsgleichungen modelliert. Die Ergebnisse zeigen sehr gute Übereinstimmungen mit den entsprechenden Messungen.
[1] Michael Müller, Mathias Glombek, Jeldrick Powitz, Dennis Brüning, Ingo Rustenbeck. A Cellular Automaton Model as a First Model-Based Assessment of Interacting Mechanisms for Insulin Granule Transport in Beta Cells, Cells, 2020 https://doi.org/10.3390/cells9061487
[2] Bastian Haus, Dennis Brüning, Sofie Groß, Michael Müller, Ingo Rustenbeck. The chainging view of insulin granule mobility: From conveyor belt to signaling hub, Frontiers in Endocrinology, 2022 doi.org/10.3389/fendo.2022.983152
[3] Michael Müller, Jonas Walkling, Nele Seemann, Ingo Rustenbeck. The Dynamics of Calcium Signaling in Beta Cells—A Discussion on the Comparison of Experimental and Modelling Data, International Journal of Molecular Sciences, 2023 https://doi.org/10.3390/ijms24043206
[4] Sara Langer, David Jagdhuhn, Rica Waterstradt, Jessica Gromoll, Michael Müller, Matthew G. Rees, Anna L. Gloyn, Simone Baltrusch. Effects of coding variants in the glucokinase regulatory protein gene on hepatic glucose and triglyceride metabolism suggest a gene regulatory function of glucokinase, Metabolism, 2025 https://doi.org/10.1016/j.metabol.2025.156150
[5] Lars de Jong, Paula Clasen, Michael Müller, Ulrich Römer. Uncertainty analysis of limit cycle oscillations in nonlinear dynamical systems with the Fourier generalized Polynomial Chaos, Journal of Sound and Vibration, 2025 https://doi.org/10.1016/j.jsv.2025.119017