In silico

In der Biologie und anderen experimentellen Wissenschaften bezeichnet man als „in silico“ ein Experiment, das am Computer oder mithilfe von Computersimulationssoftware durchgeführt wird . Der Begriff stammt aus dem Pseudo-Lateinischen und bedeutet „in Silizium“ (korrektes Latein : in silicio ). Er bezieht sich auf Silizium in Computerchips. Der Begriff wurde 1987 in Anlehnung an die lateinischen Ausdrücke „ in vivo“ , „in vitro“ und „ in situ “ geprägt , die in der Biologie (insbesondere der Systembiologie ) häufig verwendet werden. Letztere bezeichnen Experimente an lebenden Organismen, außerhalb lebender Organismen bzw. in der Natur.

Die früheste bekannte Verwendung des Begriffs stammt von Christopher Langton zur Beschreibung künstlichen Lebens in der Ankündigung eines Workshops zu diesem Thema am Center for Nonlinear Studies des Los Alamos National Laboratory im Jahr 1987. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Der Ausdruck „ in silico“ wurde erstmals 1989 zur Charakterisierung vollständig computergestützter biologischer Experimente verwendet. Dies geschah im Rahmen des Workshops „Zelluläre Automaten: Theorie und Anwendungen“ in Los Alamos, New Mexico , durch Pedro Miramontes, einen Mathematiker der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko (UNAM), der den Bericht „ Physikochemische Einschränkungen von DNA und RNA , zelluläre Automaten und molekulare Evolution“ vorstellte. Die Arbeit wurde später von Miramontes als seine Dissertation eingereicht . ^{[ 3 ]}

In-silico- Methoden wurden in Positionspapieren der Europäischen Kommission zur Unterstützung der Erstellung von Programmen zur Sequenzierung bakterieller Genome verwendet. Die erste Publikation, in der der Begriff „ in silico“ erwähnt wird, stammt von einem französischen Team aus dem Jahr 1991. ^{[ 4 ]} Das erste Buchkapitel, in dem „ in silico“ vorkommt, wurde 1990 von Hans B. Sieburg verfasst und im Rahmen einer Sommerschule für komplexe Systeme am Santa Fe Institute präsentiert . ^{[ 5 ]}

Der Begriff „in silico“ bezog sich ursprünglich nur auf Computersimulationen, die natürliche oder im Labor durchgeführte Prozesse (in allen Naturwissenschaften) modellierten, und nicht auf Berechnungen, die allgemein mit dem Computer durchgeführt wurden.

In-silico -Studien in der Medizin bergen das Potenzial, die Entwicklung neuer Wirkstoffe zu beschleunigen und gleichzeitig den Bedarf an aufwendigen Laborarbeiten und klinischen Studien zu reduzieren. Dies lässt sich unter anderem durch die effizientere Herstellung und das Screening von Wirkstoffkandidaten erreichen. So fanden Forscher beispielsweise 2010 mithilfe des Protein-Docking-Algorithmus EADock (siehe Protein-Ligand-Docking ) potenzielle Inhibitoren eines mit Krebsaktivität assoziierten Enzyms in silico . Fünfzig Prozent der Moleküle erwiesen sich später in vitro als aktive Inhibitoren . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Dieser Ansatz unterscheidet sich vom Einsatz teurer Hochdurchsatz-Screening- Systeme (HTS), in denen täglich Tausende verschiedener Verbindungen physisch getestet werden – oft mit einer erwarteten Trefferrate von nur etwa 1 % oder weniger, wobei nach weiteren Tests noch weniger vielversprechende Kandidaten zu erwarten sind (siehe Wirkstoffforschung ).

Beispielsweise wurde die Technik in einer Studie zur Wiederverwendung von Medikamenten eingesetzt , um nach potenziellen Heilmitteln für COVID-19 (SARS-CoV-2) zu suchen. ^{[ 8 ]}

Es wurden Anstrengungen unternommen, Computermodelle des Zellverhaltens zu erstellen. So entwickelten Forscher beispielsweise 2007 ein In-silico-Modell der Tuberkulose , um die Wirkstoffforschung zu unterstützen. Dessen Hauptvorteil lag in der höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu Echtzeitsimulationen des Wachstums, wodurch interessante Phänomene innerhalb von Minuten statt Monaten beobachtet werden konnten. ^{[ 9 ]} Weitere Arbeiten konzentrieren sich auf die Modellierung spezifischer zellulärer Prozesse, wie etwa des Wachstumszyklus von Caulobacter crescentus . ^{[ 10 ]}

Diese Bemühungen reichen bei Weitem nicht aus, um ein exaktes, vollständig prädiktives Computermodell des gesamten Zellverhaltens zu entwickeln. Begrenzte Kenntnisse der Molekulardynamik und Zellbiologie sowie die mangelnde Rechenleistung zwingen zu starken Vereinfachungen, die die Nützlichkeit der aktuellen computergestützten Zellmodelle einschränken.

Digitale Gensequenzen, die durch DNA-Sequenzierung gewonnen werden, können in Sequenzdatenbanken gespeichert , analysiert (siehe Sequenzanalyse ), digital verändert oder als Vorlagen für die Erzeugung neuer DNA mittels künstlicher Gensynthese verwendet werden .

In-silico-Computermodellierungstechnologien wurden auch angewendet in:

• Ganzzellanalyse von prokaryotischen und eukaryotischen Wirtszellen, z. B. E. coli , B. subtilis , Hefe , CHO- oder humanen Zelllinien
• Entdeckung eines potenziellen Heilmittels für COVID-19. ^{[ 11 ]}
• Bioprozessentwicklung und -optimierung, z. B. Optimierung der Produktausbeute
• Simulation onkologischer klinischer Studien unter Nutzung von Grid-Computing -Infrastrukturen, wie beispielsweise der European Grid Infrastructure , zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Effektivität der Simulationen. ^{[ 12 ]}
• Analyse, Interpretation und Visualisierung heterologer Datensätze aus verschiedenen Quellen, z. B. Genom- , Transkriptom- oder Proteomdaten
• Validierung der Schritte der taxonomischen Zuordnung in einer Metagenomikstudie an Pflanzenfressern. ^{[ 13 ]}
• Proteindesign. Ein Beispiel ist RosettaDesign, ein Softwarepaket, das sich noch in der Entwicklung befindet und für akademische Zwecke kostenlos ist. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

• Virtuelles Vorführen
• Computerbiologie
• Computergestützte Biomodellierung
• Computerexperiment
• Folding@home
• Exscalate4Cov
• Zelluläres Modell
• Nichtklinische Studien
• Organ-on-a-Chip
• In-silico -Moleküldesignprogramme
• In-silico-Medizin
• Trockenlabor

• Weltweite Wörter: In silico
• CADASTER ( Archiviert am 30.03.2012 bei der Wayback Machine) – Projekt des Siebten Rahmenprogramms mit dem Ziel, computergestützte In-silico-Methoden zur Minimierung experimenteller Tests für die REACH-Verordnung ( Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe) zu entwickeln.
• In-silico-Biologie. Zeitschrift für Modellierung und Simulation biologischer Systeme. Archiviert am 21.10.2020 im Internet Archive.
• In-silico-Pharmakologie