Theoretische Grundlagen und Anwendungen von Membransystemen

Das wesentliche Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung von Informationssystemen, welche durch biologische Vorgänge in der Natur inspiriert sind, im Speziellen die Untersuchung verschiedener Modelle von Membransystemen. Spezielles Augenmerk wird auf die Modellierung biologischer Prozesse in Zellmembranen gelegt. Membransysteme wurden 1998 durch Gheorghe PAUN (Computing with Membranes. Journal of Computer and System Sciences 61, 1 (2000), 108-143) als ein unkonventionelles, durch biochemische Reaktionen in Zellen inspiriertes Berechnungsmodell eingeführt (einen Überblick betreffend aktuelle Forschung im Bereich "Membrane Computing" findet man unter http://psystems.disco.unimib.it). Zellen bilden die Basiseinheiten für die Struktur und Funktionsweise aller Organismen; diese erhalten ihre Struktur durch Membranen. Membranen regulieren den Austausch von Substanzen und den Energietransfer zwischen Zellen, was insgesamt als Berechnungsprozess interpretiert werden kann. In diesem Sinne stellen Membransysteme Berechnungsmodelle dar, die auf einer Abstrahierung der Zellfunktion basieren. In einem speziellen Modell von Membransystemen passieren Objekte die Membran durch Kanäle entweder in der gleichen Richtung (dies nennt man Symport) oder in entgegengesetzten Richtungen (Antiport). Nicht nur die theoretischen Grundlagen und der biologische Hintergrund von Membransystemen sollen untersucht werden, sondern es sollen auch Software-Tools für Biologen entwickelt werden, um ihnen einen Weg zu einem besseren Verständnis biologischer Prozesse in Zellmembranen und Membrankanälen zu eröffnen. Membransysteme, welche Objekte analysieren, werden P Automaten genannt. Bei der Implementierung von P Automaten beschränken wir uns auf Modelle, die zumindest k-deterministisch sind, was bedeutet, dass die nächste Konfiguration des Systems eindeutig bestimmt ist, wenn man höchstens k Schritte in einem möglicherweise non- deterministischen System vorausschaut. Um sinnvoll verwendbare Implementierungen von P Automaten zu erhalten, ist daher eine Vielzahl an verschiedenen Modellen von P Automaten zu untersuchen, um festzustellen, ob sie unter der Einschränkung des k-Deteriminismus universell bleiben. Für die Einteilung verschiedener Sprachklassen entsprechend ihrer Berechnungskomplexität werden wir außerdem uniforme Klassen deterministischer und k-deterministischer P Automaten untersuchen. Teile des Projekts werden in Kooperation mit Mitgliedern des EMCC (European Molecular Computing Consortium, s. http://openit.disco.unimib.it/emcc/) durchgeführt werden.