TY - BOOK A1 - Arndt, Katja Maren T1 - Proteine zur Krebstherapie - Zielen, Steuern, Hemmen : Antrittsvorlesung 2010-12-08 N2 - Biotechnologie, Biologie, Protein Engineering, Therapeutische Peptide, Protein Design, Selektionssysteme / biotechnology, biology, protein enginieering, therapeutic peptides, protein design, selection systems Y1 - 2010 UR - http://info.ub.uni-potsdam.de/multimedia/show_multimediafile.php?mediafile_id=239 PB - Univ.-Bibl. CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Armarego-Marriott, Tegan T1 - From dark to light BT - an overexpression and systems biology approach to investigate the development of functional thylakoid membranes Y1 - 2016 ER - TY - JOUR A1 - Arlt, Olga A1 - Schwiebs, Anja A1 - Japtok, Lukasz A1 - Rueger, Katja A1 - Katzy, Elisabeth A1 - Kleuser, Burkhard A1 - Radeke, Heinfried H. T1 - Sphingosine-1-Phosphate modulates dendritic cell function: focus on non-migratory effects in vitro and in vivo JF - Cellular physiology and biochemistry : international journal of experimental cellular physiology, biochemistry and pharmacology N2 - Dendritic cells (DCs) are the cutting edge in innate and adaptive immunity. The major functions of these antigen presenting cells are the capture, endosomal processing and presentation of antigens, providing them an exclusive ability to provoke adaptive immune responses and to induce and control tolerance. Immature DCs capture and process antigens, migrate towards secondary lymphoid organs where they present antigens to naive T cells in a well synchronized sequence of procedures referred to as maturation. Indeed, recent research indicated that sphingolipids are modulators of essential steps in DC homeostasis. It has been recognized that sphingolipids not only modulate the development of DC subtypes from precursor cells but also influence functional activities of DCs such as antigen capture, and cytokine profiling. Thus, it is not astonishing that sphingolipids and sphingolipid metabolism play a substantial role in inflammatory diseases that are modulated by DCs. Here we highlight the function of sphingosine 1-phosphate (S1P) on DC homeostasis and the role of SIP and SW metabolism in inflammatory diseases. KW - Sphingosine-1-phosphate KW - Dendritic cells KW - Fingolimod KW - IL-12 KW - Inflammation Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1159/000362982 SN - 1015-8987 SN - 1421-9778 VL - 34 IS - 1 SP - 27 EP - 44 PB - Karger CY - Basel ER - TY - THES A1 - Arlt, Matthias T1 - Studien zur Initiation, Ausbreitung und Übertragbarkeit verschiedener Varianten von posttranskriptionellem Transgensilencing anhand molekularer Charakteristika in Arabidopsis thaliana Y1 - 2007 CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Arias-Andres, Maria A1 - Rojas-Jimenez, Keilor A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Collateral effects of microplastic pollution on aquatic microorganisms BT - An ecological perspective JF - Trends in Analytical Chemistry N2 - Microplastics (MP) provide a unique and extensive surface for microbial colonization in aquatic ecosystems. The formation of microorganism-microplastic complexes, such as biofilms, maximizes the degradation of organic matter and horizontal gene transfer. In this context, MP affect the structure and function of microbial communities, which in turn render the physical and chemical fate of MP. This new paradigm generates challenges for microbiology, ecology, and ecotoxicology. Dispersal of MP is concomitant with that of their associated microorganisms and their mobile genetic elements, including antibiotic resistance genes, islands of pathogenicity, and diverse metabolic pathways. Functional changes in aquatic microbiomes can alter carbon metabolism and food webs, with unknown consequences on higher organisms or human microbiomes and hence health. Here, we examine a variety of effects of MP pollution from the microbial ecology perspective, whose repercussions on aquatic ecosystems begin to be unraveled. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Microplastics (MP) KW - Biofilms KW - HGT KW - Microbial ecology KW - Carbon cycling KW - Aquatic ecosystems KW - Health risk assessment Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.11.041 SN - 0165-9936 SN - 1879-3142 VL - 112 SP - 234 EP - 240 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Arias-Andres, Maria A1 - Kluemper, Uli A1 - Rojas-Jimenez, Keilor A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Microplastic pollution increases gene exchange in aquatic ecosystems JF - Environmental pollution N2 - Pollution by microplastics in aquatic ecosystems is accumulating at an unprecedented scale, emerging as a new surface for biofilm formation and gene exchange. In this study, we determined the permissiveness of aquatic bacteria towards a model antibiotic resistance plasmid, comparing communities that form biofilms on microplastics vs. those that are free-living. We used an exogenous and red-fluorescent E. coli donor strain to introduce the green-fluorescent broad-host-range plasmid pKJKS which encodes for trimethoprim resistance. We demonstrate an increased frequency of plasmid transfer in bacteria associated with microplastics compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison of communities grown on polycarbonate filters showed that increased gene exchange occurs in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. Our results indicate horizontal gene transfer in this habitat could distinctly affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale. The spread of antibiotic resistance through microplastics could also have profound consequences for the evolution of aquatic bacteria and poses a neglected hazard for human health. KW - Microplastics KW - Aquatic ecosystems KW - Biofilm KW - Horizontal gene transfer KW - Antibiotic resistance Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.02.058 SN - 0269-7491 SN - 1873-6424 VL - 237 SP - 253 EP - 261 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Arias Andrés, María de Jesús A1 - Kettner, Marie Therese A1 - Miki, Takeshi A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Microplastics: New substrates for heterotrophic activity contribute to altering organic matter cycles in aquatic ecosystems JF - The science of the total environment : an international journal for scientific research into the environment and its relationship with man N2 - Heterotrophic microbes with the capability to process considerable amounts of organic matter can colonize microplastic particles (MP) in aquatic ecosystems. Weather colonization of microorganisms on MP will alter ecological niche and functioning of microbial communities remains still unanswered. Therefore, we compared the functional diversity of biofilms on microplastics when incubated in three lakes in northeastern Germany differing in trophy and limnological features. For all lakes, we compared heterotrophic activities of MP biofilms with those of microorganisms in the surrounding water by using Biolog (R) EcoPlates and assessed their oxygen consumption in microcosm assays with and without MP. The present study found that the total biofilm biomass was higher in the oligo-mesotrophic and dystrophic lakes than in the eutrophic lake. In all lakes, functional diversity profiles of MP biofilms consistently differed from those in the surrounding water. However, solely in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. These results demonstrate that the functionality and hence the ecological role of MP-associated microbial communities are context-dependent, i.e. different environments lead to substantial changes in biomass build up and heterotrophic activities of MP biofilms. We propose that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and that the constantly increasing MP pollution has the potential to globally impact carbon dynamics of pelagic environments by altering heterotrophic activities. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Microplastics KW - Microorganisms KW - Biofilms KW - Total biomass KW - Heterotrophic activity KW - Functional diversity KW - Multi-functionality index Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.199 SN - 0048-9697 SN - 1879-1026 VL - 635 SP - 1152 EP - 1159 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Arias Andrés, María de Jesús T1 - Microbial gene exchange on microplastic particles T1 - Mikrobieller Gentransfer auf Mikroplastikpartikel N2 - Plastic pollution is ubiquitous on the planet since several millions of tons of plastic waste enter aquatic ecosystems each year. Furthermore, the amount of plastic produced is expected to increase exponentially shortly. The heterogeneity of materials, additives and physical characteristics of plastics are typical of these emerging contaminants and affect their environmental fate in marine and freshwaters. Consequently, plastics can be found in the water column, sediments or littoral habitats of all aquatic ecosystems. Most of this plastic debris will fragment as a product of physical, chemical and biological forces, producing particles of small size. These particles (< 5mm) are known as “microplastics” (MP). Given their high surface-to-volume ratio, MP stimulate biofouling and the formation of biofilms in aquatic systems. As a result of their unique structure and composition, the microbial communities in MP biofilms are referred to as the “Plastisphere.” While there is increasing data regarding the distinctive composition and structure of the microbial communities that form part of the plastisphere, scarce information exists regarding the activity of microorganisms in MP biofilms. This surface-attached lifestyle is often associated with the increase in horizontal gene transfer (HGT) among bacteria. Therefore, this type of microbial activity represents a relevant function worth to be analyzed in MP biofilms. The horizontal exchange of mobile genetic elements (MGEs) is an essential feature of bacteria. It accounts for the rapid evolution of these prokaryotes and their adaptation to a wide variety of environments. The process of HGT is also crucial for spreading antibiotic resistance and for the evolution of pathogens, as many MGEs are known to contain antibiotic resistance genes (ARGs) and genetic determinants of pathogenicity. In general, the research presented in this Ph.D. thesis focuses on the analysis of HGT and heterotrophic activity in MP biofilms in aquatic ecosystems. The primary objective was to analyze the potential of gene exchange between MP bacterial communities vs. that of the surrounding water, including bacteria from natural aggregates. Moreover, the thesis addressed the potential of MP biofilms for the proliferation of biohazardous bacteria and MGEs from wastewater treatment plants (WWTPs) and associated with antibiotic resistance. Finally, it seeks to prove if the physiological profile of MP biofilms under different limnological conditions is divergent from that of the water communities. Accordingly, the thesis is composed of three independent studies published in peer-reviewed journals. The two laboratory studies were performed using both model and environmental microbial communities. In the field experiment, natural communities from freshwater ecosystems were examined. In Chapter I, the inflow of treated wastewater into a temperate lake was simulated with a concentration gradient of MP particles. The effects of MP on the microbial community structure and the occurrence of integrase 1 (int 1) were followed. The int 1 is a marker associated with mobile genetic elements and known as a proxy for anthropogenic effects on the spread of antimicrobial resistance genes. During the experiment, the abundance of int1 increased in the plastisphere with increasing MP particle concentration, but not in the surrounding water. In addition, the microbial community on MP was more similar to the original wastewater community with increasing microplastic concentrations. Our results show that microplastic particles indeed promote persistence of standard indicators of microbial anthropogenic pollution in natural waters. In Chapter II, the experiments aimed to compare the permissiveness of aquatic bacteria towards model antibiotic resistance plasmid pKJK5, between communities that form biofilms on MP vs. those that are free-living. The frequency of plasmid transfer in bacteria associated with MP was higher when compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison increased gene exchange occurred in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. The results indicate a different activity of HGT in MP biofilms, which could affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale and the spread of antibiotic resistance. Finally, in Chapter III, physiological measurements were performed to assess whether microorganisms on MP had a different functional diversity from those in water. General heterotrophic activity such as oxygen consumption was compared in microcosm assays with and without MP, while diversity and richness of heterotrophic activities were calculated by using Biolog® EcoPlates. Three lakes with different nutrient statuses presented differences in MP-associated biomass build up. Functional diversity profiles of MP biofilms in all lakes differed from those of the communities in the surrounding water, but only in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. The results support that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and can affect global carbon dynamics of pelagic environments. Overall, the experimental works presented in Chapters I and II support a scenario where MP pollution affects HGT dynamics among aquatic bacteria. Among the consequences of this alteration is an increase in the mobilization and transfer efficiency of ARGs. Moreover, it supposes that changes in HGT can affect the evolution of bacteria and the processing of organic matter, leading to different catabolic profiles such as demonstrated in Chapter III. The results are discussed in the context of the fate and magnitude of plastic pollution and the importance of HGT for bacterial evolution and the microbial loop, i.e., at the base of aquatic food webs. The thesis supports a relevant role of MP biofilm communities for the changes observed in the aquatic microbiome as a product of intense human intervention. N2 - Die Plastikverschmutzung ist auf dem Planeten allgegenwärtig, da jährlich mehrere Millionen Tonnen Plastikabfall in die aquatische Ökosystemen gelangen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Menge an produziertem Plastik in naher Zukunft exponentiell ansteigen wird. Die Heterogenität der Kunststoffmaterialien, ihrer Additive und physikalischen Eigenschaften ist typisch für diese neu auftretenden Schadstoffe und beeinflusst deren Umweltverhalten in Meeres- und Süßwasser. Als Folge kann Plastik in der Wassersäule, den Sedimenten oder Küstenlebensräumen aller aquatischen Ökosysteme gefunden werden. Die meisten dieser Plastikabfälle fragmentieren durch das Zusammenspiel physikalischer, chemischer und biologischer Kräfte, wodurch kleine Partikel erzeugt werden. Diese Partikel (<5mm) sind auch bekannt als "Mikroplastik" (MP). Aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses stimuliert MP das Biofouling und somit die Bildung von Biofilmen in aquatischen Systemen. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Zusammensetzung werden die mikrobiellen Gemeinschaften in MP-Biofilmen als "Plastisphäre" bezeichnet. Während es immer mehr Daten über die spezifische Zusammensetzung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften – die Teil dieser Plastisphäre sind – gibt, existieren hingegen nur wenige Informationen über die Aktivität von Mikroorganismen in MP-Biofilmen. Dieser Lebensstil des Anheftens und Besiedelns von Oberflächen ist oft mit der Zunahme von horizontalem Gentransfer (HGT) unter Bakterien verknüpft. Diese Art der mikrobiellen Aktivität stellt eine besonders relevante Funktion dar und sollte daher in MP-Biofilmen analysiert werden. Der horizontale Austausch von mobilen genetischen Elementen (MGEs) ist ein wesentliches Merkmal von Bakterien. Er ist verantwortlich für die schnelle Evolution dieser Prokaryoten und ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedenste Umweltbedingungen. Der Prozess des HGT ist zudem entscheidend für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen sowie für die Entwicklung von Pathogenen, da viele MGEs bekanntermaßen Antibiotikaresistenzgene (ARGs) und genetische Determinanten für Pathogenität enthalten. Im Allgemeinen konzentriert sich die Forschung in der vorliegenden Dissertation auf die Analyse des HGT und der heterotrophen Aktivität in MP-Biofilmen in aquatischen Ökosystemen. Das Hauptziel besteht darin, das Potenzial des Genaustausches zwischen MP-Bakteriengemeinschaften und dem des umgebenden Wassers, einschließlich der Bakterien in natürlichen Aggregaten, zu analysieren. Darüber hinaus befasst sich diese Doktorarbeit mit dem Potenzial von MP-Biofilmen zur Ausbreitung biologisch gefährlicher Bakterien und MGEs, die aus Kläranlagen stammen und mit Antibiotikaresistenzen assoziiert sind. Schließlich soll bei verschiedenen limnologischen Bedingungen überprüft werden, ob das jeweilige physiologische Profil von MP-Biofilmen von dem der Wassergemeinschaften abweicht. Dementsprechend besteht die Arbeit aus drei unabhängigen Studien, die in Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. In den beiden Laborstudien wurden sowohl mikrobielle Modell- als auch Umwelt-Gemeinschaften betrachtet. Im Freilandexperiment wurden schließlich die natürlichen Gemeinschaften aus Süßwasserökosystemen untersucht. In Kapitel I wurde der Zufluss von geklärtem Abwasser mit einem Konzentrationsgradienten von MP-Partikeln in einen See der gemäßigten Klimazone simuliert. Dabei wurden die Effekte von MP auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und das Auftreten von Integrase 1 (int 1) verfolgt. Int 1 ist ein Marker, der mit mobilen genetischen Elementen assoziiert ist und zur Abschätzung anthropogener Einflüsse auf die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzgene verwendet ist. Während des Experiments erhöhte sich das Vorkommen von Int1 in der Plastisphäre mit zunehmender MP-Partikelkonzentration, jedoch nicht im umgebenden Wasser. Darüber hinaus ähnelte die mikrobielle Gemeinschaft auf MP zunehmend der ursprünglichen Abwassergemeinschaft mit steigender Mikroplastikkonzentration. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mikroplastikpartikel tatsächlich die Persistenz von Standardindikatoren mikrobieller anthropogener Verschmutzung in natürlichen Gewässern fördern. In Kapitel II wurde die Permissivität von aquatischen Bakterien gegen das Modell-Plasmid für Antibiotikaresistenz pKJK5 zwischen Gemeinschaften, die Biofilme auf MP bilden, gegenüber denen, die frei leben, verglichen. Die Häufigkeit des Plasmidtransfers unter den MP-assoziierten Bakterien war höher als unter Bakterien, die frei oder in natürlichen Aggregaten leben. Der verstärkte Genaustausch trat darüber hinaus bei einem breiten Spektrum phylogenetisch diverser Bakterien auf. Die Ergebnisse deuten auf eine unterschiedliche Aktivität von HGT in MP-Biofilmen hin, welche die Ökologie aquatischer mikrobieller Gemeinschaften auf globaler Ebene sowie die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beeinflussen könnten. Schließlich wurden in Kapitel III physiologische Messungen durchgeführt, um festzustellen, ob Mikroorganismen auf MP eine andere funktionelle Diversität aufwiesen als jene im Wasser. Die generelle heterotrophe Aktivität, wie der Sauerstoffverbrauch, wurde in Mikrokosmentests mit und ohne MP verglichen, während die Diversität und Vielfalt heterotropher Aktivitäten mit Hilfe von Biolog® EcoPlates berechnet wurden. Drei Seen mit unterschiedlichen Nährstoffbedingungen wiesen Unterschiede in der Ausprägung der MP-assoziierten Biomasse auf. In allen Seen unterschieden sich die funktionellen Diversitätsprofile der MP-Biofilme von denen der Gemeinschaften im umgebenden Wasser, aber nur die MP-Biofilme des oligo-mesotrophen Sees hatten eine höhere funktionelle Vielfalt im Verglichen zum Umgebungswasser. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass MP-Oberflächen als neue Nischen für aquatische Mikroorganismen fungieren und die globale Kohlenstoffdynamik im Pelagial beeinflussen können. Insgesamt unterstützen die in den Kapiteln I und II vorgestellten experimentellen Studien ein Szenario, in dem die Umweltverschmutzung durch MP die HGT-Dynamik zwischen aquatischen Bakterien beeinflusst. Zu den Folgen dieser Veränderung gehört eine Erhöhung der Mobilisierungs- und Übertragungseffizienz von ARGs. Darüber hinaus wird vermutet, dass eine Beeinflussung des HGT die Evolution von Bakterien und die Umsetzung von organischem Material verändern könnte, was zu verschiedenen katabolischen Profilen führt, wie in Kapitel III gezeigt. Die Ergebnisse werden in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Plastikverschmutzung sowie der Bedeutung von HGT für die bakterielle Entwicklung und „mikrobielle Schleife“, d. h. an der Basis der aquatischen Nahrungsnetze, diskutiert. Diese Doktorarbeit veranschaulicht die Bedeutung von MP-Biofilmgemeinschaften für die beobachteten Veränderungen des aquatischen Mikrobioms als eine Folge der intensiven anthropogenen Eingriffe. KW - microplastics KW - horizontal gene transfer KW - aquatic ecosystem KW - microorganisms KW - Mikroplastikpartikel KW - horizontaler Gentransfer KW - aquatische Ökosysteme KW - Mikroorganismen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417241 ER - TY - JOUR A1 - Arend, Marius A1 - Zimmer, David A1 - Xu, Rudan A1 - Sommer, Frederik A1 - Mühlhaus, Timo A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Proteomics and constraint-based modelling reveal enzyme kinetic properties of Chlamydomonas reinhardtii on a genome scale JF - Nature Communications N2 - Metabolic engineering of microalgae offers a promising solution for sustainable biofuel production, and rational design of engineering strategies can be improved by employing metabolic models that integrate enzyme turnover numbers. However, the coverage of turnover numbers for Chlamydomonas reinhardtii, a model eukaryotic microalga accessible to metabolic engineering, is 17-fold smaller compared to the heterotrophic cell factory Saccharomyces cerevisiae. Here we generate quantitative protein abundance data of Chlamydomonas covering 2337 to 3708 proteins in various growth conditions to estimate in vivo maximum apparent turnover numbers. Using constrained-based modeling we provide proxies for in vivo turnover numbers of 568 reactions, representing a 10-fold increase over the in vitro data for Chlamydomonas. Integration of the in vivo estimates instead of in vitro values in a metabolic model of Chlamydomonas improved the accuracy of enzyme usage predictions. Our results help in extending the knowledge on uncharacterized enzymes and improve biotechnological applications of Chlamydomonas. KW - Computational models KW - Enzymes KW - Proteomics Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-023-40498-1 SN - 2041-1723 VL - 14 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - THES A1 - Arend, Marius T1 - Comparing genome-scale models of protein-constrained metabolism in heterotrophic and photosynthetic microorganisms N2 - Genome-scale metabolic models are mathematical representations of all known reactions occurring in a cell. Combined with constraints based on physiological measurements, these models have been used to accurately predict metabolic fluxes and effects of perturbations (e.g. knock-outs) and to inform metabolic engineering strategies. Recently, protein-constrained models have been shown to increase predictive potential (especially in overflow metabolism), while alleviating the need for measurement of nutrient uptake rates. The resulting modelling frameworks quantify the upkeep cost of a certain metabolic flux as the minimum amount of enzyme required for catalysis. These improvements are based on the use of in vitro turnover numbers or in vivo apparent catalytic rates of enzymes for model parameterization. In this thesis several tools for the estimation and refinement of these parameters based on in vivo proteomics data of Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and Chlamydomonas reinhardtii have been developed and applied. The difference between in vitro and in vivo catalytic rate measures for the three microorganisms was systematically analyzed. The results for the facultatively heterotrophic microalga C. reinhardtii considerably expanded the apparent catalytic rate estimates for photosynthetic organisms. Our general finding pointed at a global reduction of enzyme efficiency in heterotrophy compared to other growth scenarios. Independent of the modelled organism, in vivo estimates were shown to improve accuracy of predictions of protein abundances compared to in vitro values for turnover numbers. To further improve the protein abundance predictions, machine learning models were trained that integrate features derived from protein-constrained modelling and codon usage. Combining the two types of features outperformed single feature models and yielded good prediction results without relying on experimental transcriptomic data. The presented work reports valuable advances in the prediction of enzyme allocation in unseen scenarios using protein constrained metabolic models. It marks the first successful application of this modelling framework in the biotechnological important taxon of green microalgae, substantially increasing our knowledge of the enzyme catalytic landscape of phototrophic microorganisms. N2 - Genomweite Stoffwechselmodelle sind mathematische Darstellungen aller bekannten Reaktionen, die in einer Zelle ablaufen. In Kombination mit Einschränkungen, die auf physiologischen Messungen beruhen, wurden diese Modelle zur genauen Vorhersage von Stoffwechselflüssen und Auswirkungen von Manipulationene (z. B. Knock-outs) sowie zum Entwerfen von Metabolic Engineering Strategien verwendet. In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass proteinlimitierte Modelle, welche die Menge an Proteinen in einer Zelle als Modelbeschränkungen integrieren, ein erweitertes Modellierungspotenzial besitzen (insbesondere beim Überflussstoffwechsel) und gleichzeitig die Messungen der Nährstoffaufnahmerate eines Organismus optional machen. Die resultierenden Modelle quantifizieren die Unterhaltskosten eines bestimmten Stoffwechselflusses als die für die Katalyse erforderliche Mindestmenge an Enzymen. Die beobachtete Verbesserungen in den Voraussagefähigkeiten solcher Modelle werden durch die Parameterisierung mit unterschiedlichen in vitro und in vivo Approximationen der maximalen katalytischen Effizienz (Wechselzahl) aller Enyzme eines Organismus ermöglicht. In dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren zur Schätzung und Verfeinerung dieser Parameter auf der Grundlage von in vivo Proteomikdaten der Organismen Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae und Chlamydomonas reinhardtii entwickelt und angewendet. Der Unterschied zwischen den in vitro und in vivo berechneten katalytischen Raten für die drei Mikroorganismen wurde systematisch analysiert. Die Ergebnisse für die fakultativ heterotrophe Mikroalge C. reinhardtii erweitern die Menge an verfügbaren enzymkatalytischen Parametern für photosynthetische Organismen erheblich. Weiterhin deuten unsere Ergbnisse für C. reinhardtii auf eine globale Verringerung der Enzymeffizienz bei Heterotrophie im Vergleich zu anderen Wachstumsszenarien hin. Unabhängig vom modellierten Organismus konnte gezeigt werden, dass geschätzte in vivo Wechselzahlen die Genauigkeit der Vorhersagen von Proteinmengen im Vergleich zu in vitro Werten verbessern. Um die Vorhersagen von Proteinmengen weiter zu verbessern, wurden Modelle aus dem Bereich des maschinellen Lernens trainiert, die Prediktoren basierend auf der proteinlimitierten Modellierung und der Proteinsequenz integrieren. Die Kombination der beiden Arten von Prediktoren übertraf die Leistung von Modellen mit nur einer Art von Prediktoren und lieferte gute Vorhersageergebnisse, ohne auf experimentelle Transkriptionsdaten angewiesen zu sein. Die vorgestellte Arbeit stellt einen wertvollen Fortschritt bei der Vorhersage der Enzymallokation in unbekannten Szenarien unter Verwendung von proteinlimitierten Stoffwechselmodellen dar. Sie markiert die erste erfolgreiche Anwendung dieses Modellierungsverfahren in dem biotechnologisch wichtigen Taxon der grünen Mikroalgen und erweitert unser Wissen über die enzymkatalytische Landschaft phototropher Mikroorganismen entscheidend. T2 - Vergleich und Analyse genomweiter Modelle des protein-limitierten Metabolismus in heterotrophen und photosynthetischen Microorganismen KW - Metabolic Modeling KW - Systems Biology KW - Computational Biology KW - Proteomics KW - computergestützte Biologie KW - metabolische Modellierung KW - Proteomics KW - Systembiologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-651470 ER -