TY - THES A1 - Stübler, Sabine T1 - Mathematical model of the mucosal immune response to study inflammatory bowel diseases and their treatments T1 - Mathematisches Modell der mukosalen Immunantwort zur Analyse von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und deren Behandlung N2 - Inflammatory bowel diseases (IBD), characterised by a chronic inflammation of the gut wall, develop as consequence of an overreacting immune response to commensal bacteria, caused by a combination of genetic and environmental conditions. Large inter-individual differences in the outcome of currently available therapies complicate the decision for the best option for an individual patient. Predicting the prospects of therapeutic success for an individual patient is currently only possible to a limited extent; for this, a better understanding of possible differences between responders and non-responders is needed. In this thesis, we have developed a mathematical model describing the most important processes of the gut mucosal immune system on the cellular level. The model is based on literature data, which were on the one hand used (qualitatively) to choose which cell types and processes to incorporate and to derive the model structure, and on the other hand (quantitatively) to derive the parameter values. Using ordinary differential equations, it describes the concentration-time course of neutrophils, macrophages, dendritic cells, T cells and bacteria, each subdivided into different cell types and activation states, in the lamina propria and mesenteric lymph nodes. We evaluate the model by means of simulations of the healthy immune response to salmonella infection and mucosal injury. A virtual population includes IBD patients, which we define through their initially asymptomatic, but after a trigger chronically inflamed gut wall. We demonstrate the model's usefulness in different analyses: (i) The comparison of virtual IBD patients with virtual healthy individuals shows that the disease is elicited by many small or fewer large changes, and allows to make hypotheses about dispositions relevant for development of the disease. (ii) We simulate the effects of different therapeutic targets and make predictions about the therapeutic outcome based on the pre-treatment state. (iii) From the analysis of differences between virtual responders and non-responders, we derive hypotheses about reasons for the inter-individual variability in treatment outcome. (iv) For the example of anti-TNF-alpha therapy, we analyse, which alternative therapies are most promising in case of therapeutic failure, and which therapies are most suited for combination therapies: For drugs also directly targeting the cytokine levels or inhibiting the recruitment of innate immune cells, we predict a low probability of success when used as alternative treatment, but a large gain when used in a combination treatment. For drugs with direct effects on T cells, via modulation of the sphingosine-1-phosphate receptor or inhibition of T cell proliferation, we predict a considerably larger probability of success when used as alternative treatment, but only a small additional gain when used in a combination therapy. N2 - Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED), charakterisiert durch chronische Entzündung der Darmwand, entstehen durch eine Überreaktion der Immunantwort auf kommensale Bakterien, ausgelöst durch eine Kombination an genetischen und Umwelteinflüssen. Große inter-individuelle Unterschiede im Behandlungserfolg mit den verfügbaren Medikamenten erschweren die Wahl der für den jeweiligen Patienten besten Therapieoption. Eine Vorhersage der Erfolgsaussichten einer Behandlung für einen Patienten ist zum jetzigen Zeitpunkt nur sehr bedingt möglich; dafür wird ein besseres Verständnis möglicher Unterschiede zwischen sogenannten Respondern und Non-Respondern (Patienten, die gut bzw. schlecht auf ein Medikament ansprechen) benötigt. In der Dissertation haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, das die wichtigsten Prozesse des mukosalen Immunsystems des Darms auf zellulärer Ebene beschreibt. Das Modell basiert auf Literaturdaten, die einerseits (qualitativ) zur Auswahl der zu betrachtenden Zelltypen und Prozesse und zur Herleitung der Modellstruktur und andererseits (quantitativ) zur Herleitung der Parameterwerte verwendet wurden. Mithilfe gewöhnlicher Differentialgleichungen wird der Konzentrations-Zeit-Verlauf von Neutrophilen, Makrophagen, dendritischen Zellen, T-Zellen und Bakterien, jeweils unterteilt in unterschiedliche Zelltypen und Aktivierungszustände, in der Lamina propria und den mesenterischen Lymphknoten, beschrieben. Wir evaluieren das Modells anhand von Simulationen der gesunden Immunantwort auf Salmonelleninfektion und Verletzung der Darmbarriere. Eine virtuelle Population beinhaltet CED-Patienten, die wir durch ein zunächst asymptomatisches, aber nach einem Auslöser chronisch entzündetes Darmgewebe definieren. Wir zeigen den Nutzen des Modells anhand verschiedener Analysen: (i) Der Vergleich von virtuellen CED-Patienten und virtuellen gesunden Individuen zeigt, dass die Krankheit durch viele kleine oder wenige große Veränderungen ausgelöst werden kann, und erlaubt, Hypothesen über krankheitsauslösende Veränderungen aufzustellen. (ii) Wir simulieren verschiedene Therapiemechanismen und treffen, basierend auf dem Zustand vor Behandlungsstart, Vorhersagen über den Therapieerfolg. (iii) Durch Analyse der Unterschiede zwischen virtuellen Respondern und Non-Respondern leiten wir Hypothesen über Ursachen für die inter-individuelle Variabilität im Therapieerfolg her. (iv) Am Beispiel von TNF-alpha-Antikörpern untersuchen wir, welche alternativen Therapien bei Therapieversagen am vielversprechendsten sind und welche Therapien sich besonders für Kombinationstherapien eignen: Für Medikamente, die auch direkt die Zytokinlevel beeinflussen oder die Rekrutierung von Zellen der natürlichen Immunantwort inhibieren, sagen wir eine geringe Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber einen großen Gewinn durch Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher. Für Medikamente mit direkten Effekten auf T-Zellen, durch Modulation des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptors oder Inhibierung der T-Zellproliferation, sagen wir eine deutlich größere Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber nur einen geringen zusätzlichen Effekt bei Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher. KW - systems biology KW - IBD KW - QSP KW - Systembiologie KW - CED KW - QSP Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612301 ER - TY - JOUR A1 - Steuer, Ralf A1 - Gross, Thilo A1 - Selbig, Joachim A1 - Blasius, Bernd T1 - Structural kinetic modeling of metabolic networks JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - To develop and investigate detailed mathematical models of metabolic processes is one of the primary challenges in systems biology. However, despite considerable advance in the topological analysis of metabolic networks, kinetic modeling is still often severely hampered by inadequate knowledge of the enzyme-kinetic rate laws and their associated parameter values. Here we propose a method that aims to give a quantitative account of the dynamical capabilities of a metabolic system, without requiring any explicit information about the functional form of the rate equations. Our approach is based on constructing a local linear model at each point in parameter space, such that each element of the model is either directly experimentally accessible or amenable to a straightforward biochemical interpretation. This ensemble of local linear models, encompassing all possible explicit kinetic models, then allows for a statistical exploration of the comprehensive parameter space. The method is exemplified on two paradigmatic metabolic systems: the glycolytic pathway of yeast and a realistic-scale representation of the photosynthetic Calvin cycle. KW - systems biology KW - computational biochemistry KW - metabolomics KW - metabolic regulation KW - biological robustness Y1 - 2006 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.0600013103 SN - 0027-8424 SN - 1091-6490 VL - 103 IS - 32 SP - 11868 EP - 11873 PB - National Academy of Sciences CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Jüppner, Jessica A1 - Mubeen, Umarah A1 - Leisse, Andrea A1 - Caldana, Camila A1 - Brust, Henrike A1 - Steup, Martin A1 - Herrmann, Marion A1 - Steinhauser, Dirk A1 - Giavalisco, Patrick T1 - Dynamics of lipids and metabolites during the cell cycle of Chlamydomonas reinhardtii JF - The plant journal N2 - Metabolites and lipids are the final products of enzymatic processes, distinguishing the different cellular functions and activities of single cells or whole tissues. Understanding these cellular functions within a well-established model system requires a systemic collection of molecular and physiological information. In the current report, the green alga Chlamydomonas reinhardtii was selected to establish a comprehensive workflow for the detailed multi-omics analysis of a synchronously growing cell culture system. After implementation and benchmarking of the synchronous cell culture, a two-phase extraction method was adopted for the analysis of proteins, lipids, metabolites and starch from a single sample aliquot of as little as 10-15million Chlamydomonas cells. In a proof of concept study, primary metabolites and lipids were sampled throughout the diurnal cell cycle. The results of these time-resolved measurements showed that single compounds were not only coordinated with each other in different pathways, but that these complex metabolic signatures have the potential to be used as biomarkers of various cellular processes. Taken together, the developed workflow, including the synchronized growth of the photoautotrophic cell culture, in combination with comprehensive extraction methods and detailed metabolic phenotyping has the potential for use in in-depth analysis of complex cellular processes, providing essential information for the understanding of complex biological systems. KW - Chlamydomonas reinhardtii KW - synchronized cell cultures KW - photoautotrophic growth KW - cell cycle KW - metabolomics KW - lipidomics KW - systems biology KW - two-phase extraction KW - diurnal cycle KW - technical advance Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.13642 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 92 SP - 331 EP - 343 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Schwahn, Kevin A1 - Beleggia, Romina A1 - Omranian, Nooshin A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Stoichiometric Correlation Analysis: Principles of Metabolic Functionality from Metabolomics Data JF - Frontiers in plant science N2 - Recent advances in metabolomics technologies have resulted in high-quality (time-resolved) metabolic profiles with an increasing coverage of metabolic pathways. These data profiles represent read-outs from often non-linear dynamics of metabolic networks. Yet, metabolic profiles have largely been explored with regression-based approaches that only capture linear relationships, rendering it difficult to determine the extent to which the data reflect the underlying reaction rates and their couplings. Here we propose an approach termed Stoichiometric Correlation Analysis (SCA) based on correlation between positive linear combinations of log-transformed metabolic profiles. The log-transformation is due to the evidence that metabolic networks can be modeled by mass action law and kinetics derived from it. Unlike the existing approaches which establish a relation between pairs of metabolites, SCA facilitates the discovery of higherorder dependence between more than two metabolites. By using a paradigmatic model of the tricarboxylic acid cycle we show that the higher-order dependence reflects the coupling of concentration of reactant complexes, capturing the subtle difference between the employed enzyme kinetics. Using time-resolved metabolic profiles from Arabidopsis thaliana and Escherichia coli, we show that SCA can be used to quantify the difference in coupling of reactant complexes, and hence, reaction rates, underlying the stringent response in these model organisms. By using SCA with data from natural variation of wild and domesticated wheat and tomato accession, we demonstrate that the domestication is accompanied by loss of such couplings, in these species. Therefore, application of SCA to metabolomics data from natural variation in wild and domesticated populations provides a mechanistic way to understanding domestication and its relation to metabolic networks. KW - metabolism KW - systems biology KW - maximal correlation KW - correlation analysis KW - domestication Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02152 SN - 1664-462X VL - 8 PB - Frontiers Research Foundation CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Gorochowski, Thomas E. A1 - Aycilar-Kucukgoze, Irem A1 - Bovenberg, Roel A. L. A1 - Roubos, Johannes A. A1 - Ignatova, Zoya T1 - A Minimal Model of Ribosome Allocation Dynamics Captures Trade-offs in Expression between Endogenous and Synthetic Genes JF - ACS synthetic biology N2 - Cells contain a finite set of resources that must be distributed across many processes to ensure survival. Among them, the largest proportion of cellular resources is dedicated to protein translation. Synthetic biology often exploits these resources in executing orthogonal genetic circuits, yet the burden this places on the cell is rarely considered. Here, we develop a minimal model of ribosome allocation dynamics capturing the demands on translation when expressing a synthetic construct together with endogenous genes required for the maintenance of cell physiology. Critically, it contains three key variables related to design parameters of the synthetic construct covering transcript abundance, translation initiation rate, and elongation time. We show that model-predicted changes in ribosome allocation closely match experimental shifts in synthetic protein expression rate and cellular growth. Intriguingly, the model is also able to accurately infer transcript levels and translation times after further exposure to additional ambient stress. Our results demonstrate that a simple model of resource allocation faithfully captures the redistribution of protein synthesis resources when faced with the burden of synthetic gene expression and environmental stress. The tractable nature of the model makes it a versatile tool for exploring the guiding principles of efficient heterologous expression and the indirect interactions that can arise between synthetic circuits and their host chassis because of competition for shared translational resources. KW - protein biosynthesis KW - translation KW - synthetic biology KW - systems biology Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1021/acssynbio.6b00040 SN - 2161-5063 VL - 5 SP - 710 EP - 720 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - GEN A1 - Kaminski, Roland A1 - Schaub, Torsten H. A1 - Siegel, Anne A1 - Videla, Santiago T1 - Minimal intervention strategies in logical signaling networks with ASP T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Proposing relevant perturbations to biological signaling networks is central to many problems in biology and medicine because it allows for enabling or disabling certain biological outcomes. In contrast to quantitative methods that permit fine-grained (kinetic) analysis, qualitative approaches allow for addressing large-scale networks. This is accomplished by more abstract representations such as logical networks. We elaborate upon such a qualitative approach aiming at the computation of minimal interventions in logical signaling networks relying on Kleene's three-valued logic and fixpoint semantics. We address this problem within answer set programming and show that it greatly outperforms previous work using dedicated algorithms. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 596 KW - systems biology KW - transduction KW - circuits KW - models KW - sets Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415704 SN - 1866-8372 IS - 4-5 SP - 675 EP - 690 ER - TY - THES A1 - Schwahn, Kevin T1 - Data driven approaches to infer the regulatory mechanism shaping and constraining levels of metabolites in metabolic networks T1 - Entwicklung von datengestützten Verfahren, um regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, die die Metabolitmengen in Stoffwechselnetzwerken beeinflussen N2 - Systems biology aims at investigating biological systems in its entirety by gathering and analyzing large-scale data sets about the underlying components. Computational systems biology approaches use these large-scale data sets to create models at different scales and cellular levels. In addition, it is concerned with generating and testing hypotheses about biological processes. However, such approaches are inevitably leading to computational challenges due to the high dimensionality of the data and the differences in the dimension of data from different cellular layers. This thesis focuses on the investigation and development of computational approaches to analyze metabolite profiles in the context of cellular networks. This leads to determining what aspects of the network functionality are reflected in the metabolite levels. With these methods at hand, this thesis aims to answer three questions: (1) how observability of biological systems is manifested in metabolite profiles and if it can be used for phenotypical comparisons; (2) how to identify couplings of reaction rates from metabolic profiles alone; and (3) which regulatory mechanism that affect metabolite levels can be distinguished by integrating transcriptomics and metabolomics read-outs. I showed that sensor metabolites, identified by an approach from observability theory, are more correlated to each other than non-sensors. The greater correlations between sensor metabolites were detected both with publicly available metabolite profiles and synthetic data simulated from a medium-scale kinetic model. I demonstrated through robustness analysis that correlation was due to the position of the sensor metabolites in the network and persisted irrespectively of the experimental conditions. Sensor metabolites are therefore potential candidates for phenotypical comparisons between conditions through targeted metabolic analysis. Furthermore, I demonstrated that the coupling of metabolic reaction rates can be investigated from a purely data-driven perspective, assuming that metabolic reactions can be described by mass action kinetics. Employing metabolite profiles from domesticated and wild wheat and tomato species, I showed that the process of domestication is associated with a loss of regulatory control on the level of reaction rate coupling. I also found that the same metabolic pathways in Arabidopsis thaliana and Escherichia coli exhibit differences in the number of reaction rate couplings. I designed a novel method for the identification and categorization of transcriptional effects on metabolism by combining data on gene expression and metabolite levels. The approach determines the partial correlation of metabolites with control by the principal components of the transcript levels. The principle components contain the majority of the transcriptomic information allowing to partial out the effect of the transcriptional layer from the metabolite profiles. Depending whether the correlation between metabolites persists upon controlling for the effect of the transcriptional layer, the approach allows us to group metabolite pairs into being associated due to post-transcriptional or transcriptional regulation, respectively. I showed that the classification of metabolite pairs into those that are associated due to transcriptional or post-transcriptional regulation are in agreement with existing literature and findings from a Bayesian inference approach. The approaches developed, implemented, and investigated in this thesis open novel ways to jointly study metabolomics and transcriptomics data as well as to place metabolic profiles in the network context. The results from these approaches have the potential to provide further insights into the regulatory machinery in a biological system. N2 - Die System Biologie ist auf die Auswertung biologischer Systeme in ihrer Gesamtheit gerichtet. Dies geschieht durch das Sammeln und analysieren von großen Datensätzen der zugrundeliegenden Komponenten der Systeme. Computergestützte systembiologische Ansätze verwenden diese großen Datensätze, um Modelle zu erstellen und Hypothesen über biologische Prozesse auf verschiedenen zellularen Ebenen zu testen. Diese Ansätze führen jedoch unweigerlich zu rechnerischen Herausforderungen, da die Daten über eine hohe Dimensionalität verfügen. Des Weiteren weisen Daten, die von verschiedenen zellulären Ebenen gewonnen werden, unterschiedliche Dimensionen auf. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung von rechnergestützten Ansätzen, um Metabolit-Profile im Zusammenhang von zellulären Netzwerken zu analysieren und um zu bestimmen, welche Aspekte der Netzwerkfunktionalität sich in den Metabolit-Messungen widerspiegeln. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die folgenden Fragen, unter Berücksichtigung der genannten Methoden, zu beantworten: (1) Wie ist die Beobachtbarkeit von biologischen Systemen in Metabolit-Profilen manifestiert und sind diese für phänotypische Vergleiche verwendbar? (2) Wie lässt sich die Kopplung von Reaktionsraten ausschließlich durch Metabolit-Profile identifizieren? (3) Welche regulatorischen Mechanismen, die Metabolit-Niveaus beeinflussen, sind unterscheidbar, wenn transkriptomische und metabolische Daten kombiniert werden? Ich konnte darlegen, dass Sensormetabolite, die durch eine Methode „observability theory“ identifiziert wurden, stärker korrelieren als Nicht-Sensoren. Die stärkere Korrelation zwischen Sensormetaboliten konnte mit öffentlich zugänglichen Daten, als auch mit synthetischen Daten aus einer Simulation mit einem mittelgroßen kinetischen Modell gezeigt werden. Durch eine Robustheitsanalyse war es mir möglich zu demonstrieren, dass die Korrelation auf die Position der Sensormetabolite im Netzwerk zurückzuführen und unabhängig von den experimentellen Bedingungen ist. Sensormetabolite sind daher geeignete Kandidaten für phänotypische Vergleiche zwischen verschiedenen Bedingungen durch gezielte metabolische Analysen. Des Weiteren ergaben meine Untersuchungen, dass die Auswertung der Kopplung von Stoffwechselreaktionsraten von einer ausschließlich datengestützten Perspektive möglich ist. Dabei muss die Annahme getroffen werden, dass Stoffwechselreaktionen mit dem Massenwirkungsgesetz beschreibbar sind. Ich konnte zeigen, dass der Züchtungsprozess mit einem Verlust der regulatorischen Kontrolle auf der Ebene der gekoppelten Reaktionsraten einhergeht. Dazu verwendete ich Metabolit-Profile von gezüchteten, als auch wilden Weizen- und Tomatenspezies. Meine Ergebnisse belegen, dass die selben Stoffwechselwege in Arabidopsis thaliana und Escherichia coli eine unterschiedliche Anzahl an gekoppelten Reaktionsraten aufweisen. Darüber hinaus habe ich eine neue Methode zur Identifizierung und Kategorisierung von transkriptionellen Effekten auf den Metabolismus entwickelt. Dies erfolgt durch die Kombination von Genexpressionsdaten und Messungen von Metaboliten. Die Methode ermittelt die partielle Korrelation zwischen Metaboliten, wobei die Hauptkomponenten der Transkriptdaten als Kontrollvariablen dienen. Dadurch kann der Einfluss der Transkription auf Metabolit-Profile herausgerechnet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Einteilung von Metabolitpaaren in assoziiert durch transkriptionelle oder assoziiert durch posttranskriptionelle Regulation. Die Einteilung ist abhängig davon, ob die Korrelation zwischen Metaboliten bestehen bleibt, wenn für den Einfluss der Transkription kontrolliert wird. Ich konnte nachweisen, dass die zuvor genannten Klassifizierungen von Metabolitpaaren mit existierender Literatur und den Ergebnissen einer auf bayessche Statistik basierenden Studie übereinstimmen. Die Methoden, die in dieser Doktorarbeit entwickelt, implementiert und untersucht wurden, öffnen neue Wege um metabolische und transkriptomische Daten gemeinsam auszuwerten. Sie erlauben Metabolit-Profile in den Kontext von metabolischen Netzwerken zu stellen. Die Ergebnisse haben das Potential uns weitere Einblicke in die regulatorische Maschinerie in biologischen Systemen zu gewähren. KW - systems biology KW - metabolomics KW - metabolites KW - Systembiologie KW - Metabolomik KW - Metabolite Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423240 ER - TY - THES A1 - Robaina Estevez, Semidan T1 - Context-specific metabolic predictions T1 - Kontextspezifische metabolische Vorhersagen BT - computational methods and applications BT - Berechnungsmethoden und Anwendungen N2 - All life-sustaining processes are ultimately driven by thousands of biochemical reactions occurring in the cells: the metabolism. These reactions form an intricate network which produces all required chemical compounds, i.e., metabolites, from a set of input molecules. Cells regulate the activity through metabolic reactions in a context-specific way; only reactions that are required in a cellular context, e.g., cell type, developmental stage or environmental condition, are usually active, while the rest remain inactive. The context-specificity of metabolism can be captured by several kinds of experimental data, such as by gene and protein expression or metabolite profiles. In addition, these context-specific data can be assimilated into computational models of metabolism, which then provide context-specific metabolic predictions. This thesis is composed of three individual studies focussing on context-specific experimental data integration into computational models of metabolism. The first study presents an optimization-based method to obtain context-specific metabolic predictions, and offers the advantage of being fully automated, i.e., free of user defined parameters. The second study explores the effects of alternative optimal solutions arising during the generation of context-specific metabolic predictions. These alternative optimal solutions are metabolic model predictions that represent equally well the integrated data, but that can markedly differ. This study proposes algorithms to analyze the space of alternative solutions, as well as some ways to cope with their impact in the predictions. Finally, the third study investigates the metabolic specialization of the guard cells of the plant Arabidopsis thaliana, and compares it with that of a different cell type, the mesophyll cells. To this end, the computational methods developed in this thesis are applied to obtain metabolic predictions specific to guard cell and mesophyll cells. These cell-specific predictions are then compared to explore the differences in metabolic activity between the two cell types. In addition, the effects of alternative optima are taken into consideration when comparing the two cell types. The computational results indicate a major reorganization of the primary metabolism in guard cells. These results are supported by an independent 13C labelling experiment. N2 - Alle lebenserhaltenden Prozesse werden durch tausende biochemische Reaktionen in der Zelle bestimmt, welche den Metabolismus charakterisieren. Diese Reaktionen bilden ein komplexes Netzwerk, welches alle notwendigen chemischen Verbindungen, die sogenannten Metabolite, aus einer bestimmten Menge an Ausgangsmolekülen produziert Zellen regulieren ihren Stoffwechsel kontextspezifisch, dies bedeutet, dass nur Reaktionen die in einem zellulären Kontext, zum Beispiel Zelltyp, Entwicklungsstadium oder verschiedenen Umwelteinflüssen, benötigt werden auch tatsächlich aktiv sind. Die übrigen Reaktionen werden als inaktiv betrachtet. Die Kontextspezifität des Metabolismus kann durch verschiedene experimentelle Daten, wie Gen- und Proteinexpressionen oder Metabolitprofile erfasst werden. Zusätzlich können diese Daten in Computersimulationen des Metabolismus integriert werden, um kontextspezifische (metabolische) Vorhersagen zu treffen. Diese Doktorarbeit besteht aus drei unabhängigen Studien, welche die Integration von kontextspezifischen experimentellen Daten in Computersimulationen des Metabolismus thematisieren. Die erste Studie beschreibt ein Konzept, basierend auf einem mathematischen Optimierungsproblem, welches es erlaubt kontextspezifische, metabolische Vorhersagen zu treffen. Dabei bietet diese vollautomatische Methode den Vorteil vom Nutzer unabhängige Parameter, zu verwenden. Die zweite Studie untersucht den Einfluss von alternativen optimalen Lösungen, welche bei kontextspezifischen metabolischen Vorhersagen generiert werden. Diese alternativen Lösungen stellen metabolische Modellvorhersagen da, welche die integrierten Daten gleichgut wiederspiegeln, sich aber grundlegend voneinander unterscheiden können. Diese Studie zeigt verschiedene Ansätze alternativen Lösungen zu analysieren und ihren Einfluss auf die Vorhersagen zu berücksichtigen. Schlussendlich, untersucht die dritte Studie die metabolische Spezialisierung der Schließzellen in Arabidopsis thaliana und vergleicht diese mit einer weiteren Zellart, den Mesophyllzellen. Zu diesem Zweck wurden die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden angewandt um metabolische Vorhersagen speziell für Schließzellen und Mesophyllzellen zu erhalten. Anschließend wurden die zellspezifischen Vorhersagen auf Unterschiede in der metabolischen Aktivität der Zelltypen, unter Berücksichtigung des Effekt von alternativen Optima, untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen legen eine grundlegende Neuorganisation des Primärmetabolismus in Schließzellen verglichen mit Mesophyllzellen nahe. Diese Ergebnisse werden durch unabhängige 13C markierungs Experimente bestätigt. KW - systems biology KW - bioinformatics KW - metabolic networks KW - constraint-based modeling KW - data integration KW - Systemsbiologie KW - Bioinformatik KW - Stoffwechselnetze KW - Constraint-basierte Modellierung KW - Datenintegration Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401365 ER - TY - THES A1 - Breuer, David T1 - The plant cytoskeleton as a transportation network T1 - Modellierung des pflanzliche Zytoskeletts als Transportnetzwerk N2 - The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization. N2 - Das Zytoskelett ist ein notwendiger Bestandteil lebender Zellen. Es besteht aus verschiedenen Arten von Proteinfilamenten, die ihrerseits komplexe, sich dynamisch reorganisierende und miteinander verknüpfte Netzwerke bilden. Das Zytoskelett erfüllt eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle. In Tierzellen bestimmt das Aktin-Zytoskelett maßgeblich die mechanischen Zelleigenschaften und die Zellbewegung. In Pflanzenzellen hingegen kommt dem Aktin-Zytoskelett eine besondere Bedeutung in intrazellulären Transportprozessen zu, bedingt insbesondere durch die starre pflanzliche Zellwand sowie die Zellgröße. Als wesentlicher Faktor für Zellwachstum und somit auch die Produktion von Biomasse, ist Zytoskelett-basierter Transport daher von unmittelbarer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Während das Wissen über die molekularen Grundlagen Zytoskelett-basierter Transportprozesse beständig wächst, sind die zugrunde liegenden Prinzipien zellweiter Organisation bisher weitgehend unbekannt. Diese Dissertation widmet sich daher folgender Frage: Wie hängt die komplexe Architektur des pflanzlichen Zytoskeletts mit seiner intrazellulären Transportfunktion zusammen? Eine Antwort auf diese Frage erfordert eine systemische Perspektive auf Zytoskelettstruktur und -transport. Zu diesem Zweck habe ich Mikroskopiedaten mit hoher raumzeitlicher Auflösung sowie Computer-gestützte Bildanalysen und mathematische Ansätzen der Graphen- und Netzwerktheorie kombiniert. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf meiner Publikationen, die sich einem systemischen Verständnis des pflanzlichen Zytoskeletts als Transportnetzwerk widmen: (1) Dafür habe ich Bilddaten-basierte Netzwerkmodelle entwickelt, die eine exakte und automatisierte Quantifizierung der Architektur des Zytoskeletts ermöglichen. Diese Quantifizierung kann beispielsweise in genetischen oder chemischen Versuchen genutzt werden und für eine weitere Erforschung der genetischen Grundlagen und möglicher molekularer Interaktionspartner des Zytoskeletts hilfreich sein; (2) Ich habe nachgewiesen, dass das pflanzliche Aktin-Zytoskelett Eigenschaften effizienter Transportnetzwerk aufweist und Hinweise auf seine evolutionären Organisationsprinzipien liefert; (3) Durch die mathematische Optimierung von Transportnetzwerken konnte ich zeigen, dass unterschiedliche Pflanzenzelltypen spezifische und optimierte Organisationsstrukturen des Aktin-Zytoskeletts aufweisen; (4) Durch quantitative Analyse des Transports von Organellen in Pflanzenzellen habe ich nachgewiesen, dass sich Transportmuster ausgehend von der Struktur des Aktin-Zytoskeletts vorhersagen lassen. Dabei spielen sowohl die Organisation des Zytoskeletts auf Zellebene als auch seine Geometrie eine zentrale Rolle. (5) Schließlich habe ich eine robuste, optimierungs-basierte Methode entwickelt, die es erlaubt, individuelle Filamente eines Aktin-Netzwerks zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zytoskelettfilamente im zellulären Kontext zu untersuchen. Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Methoden wurden frei und quelloffen als Werkzeuge zur Beantwortung verwandter Fragestellung zugänglich gemacht. Insgesamt liefern die hier präsentierten Ergebnisse und entwickelten Methoden quantitative, systemische Einsichten in die Transportfunktion des Zytoskeletts. Die hier etablierte Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen kann, trotz des Fokusses auf das pflanzliche Zytoskelett, direkt auf andere Organismen angewendet werden. Als Ergänzung molekularer Studien bildet ein systemischer Blickwinkel, wie er hier entwickelt wurde, die Grundlage für ein Verständnis sowohl des evolutionären Kontextes als auch zukünftiger Kontroll- und Nutzungsmöglichkeiten des pflanzlichen Zytoskeletts. KW - systems biology KW - mathematical modeling KW - cytoskeleton KW - plant science KW - graph theory KW - image analysis KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - Zytoskelett KW - Zellbiologie KW - Graphtheorie KW - Bildanalyse Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583 ER - TY - THES A1 - Mauri, Marco T1 - A model for sigma factor competition in bacterial cells N2 - Bacteria respond to changing environmental conditions by switching the global pattern of expressed genes. In response to specific environmental stresses the cell activates several stress-specific molecules such as sigma factors. They reversibly bind the RNA polymerase to form the so-called holoenzyme and direct it towards the appropriate stress response genes. In exponentially growing E. coli cells, the majority of the transcriptional activity is carried out by the housekeeping sigma factor, while stress responses are often under the control of alternative sigma factors. Different sigma factors compete for binding to a limited pool of RNA polymerase (RNAP) core enzymes, providing a mechanism for cross talk between genes or gene classes via the sharing of expression machinery. To quantitatively analyze the contribution of sigma factor competition to global changes in gene expression, we develop a thermodynamic model that describes binding between sigma factors and core RNAP at equilibrium, transcription, non-specific binding to DNA and the modulation of the availability of the molecular components. Association of housekeeping sigma factor to RNAP is generally favored by its abundance and higher binding affinity to the core. In order to promote transcription by alternative sigma subunits, the bacterial cell modulates the transcriptional efficiency in a reversible manner through several strategies such as anti-sigma factors, 6S RNA and generally any kind of transcriptional regulators (e.g. activators or inhibitors). By shifting the outcome of sigma factor competition for the core, these modulators bias the transcriptional program of the cell. The model is validated by comparison with in vitro competition experiments, with which excellent agreement is found. We observe that transcription is affected via the modulation of the concentrations of the different types of holoenzymes, so saturated promoters are only weakly affected by sigma factor competition. However, in case of overlapping promoters or promoters recognized by two types of sigma factors, we find that even saturated promoters are strongly affected. Active transcription effectively lowers the affinity between the sigma factor driving it and the core RNAP, resulting in complex cross talk effects and raising the question of how their in vitro measure is relevant in the cell. We also estimate that sigma factor competition is not strongly affected by non-specific binding of core RNAPs, sigma factors, and holoenzymes to DNA. Finally, we analyze the role of increased core RNAP availability upon the shut-down of ribosomal RNA transcription during stringent response. We find that passive up-regulation of alternative sigma-dependent transcription is not only possible, but also displays hypersensitivity based on the sigma factor competition. Our theoretical analysis thus provides support for a significant role of passive control during that global switch of the gene expression program and gives new insights into RNAP partitioning in the cell. N2 - Bakterien reagieren auf Aenderungen in ihren Umgebungsbedingungen indem sie global das Genexpressionsprogramm umschalten. Die Zelle aktiviert, als spezifische Reaktion auf Stressbedingungen, mehrere charakteristische Molekuele wie zum Beispiel die Sigmafaktoren. Diese binden reversibel an die RNA Polymerase (RNAP), mit der sie einen Komplex bilden das sogenannte Holoenzym und steuern sie als Reaktion auf den Stress zu den entsprechenden Genen. In exponentiell wachsenden E. Coli Zellen wird das Meiste der Transkription von einem sogenannten Haushaltssigmafaktor organisiert. Wohingegen Stressreaktionen haeufig von alternativen Sigmafaktoren kontrolliert werden. Die verschiedenen Sigmafaktoren konkurrieren um einen begrenzten Pool von RNAP Coreenzymen, womit die Expression einzelner Gene oder Genklassen beeinflusst wird, da sie sich die Maschienerie teilen. Um den Beitrag der Sigmafaktorkonkurrenz an der gesamten Veraenderung der Genexpression quantitativ zu analysieren, haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, welches das Binden von Sigmafaktoren mit RNAP Coreenzymen im gleichgewicht, die Transkription, das nichtspezifische Binden an die DNA sowie die Modulation verfuegbarer molekularer Komponenten beschreibt. Normalerweise wird die Assoziation des Haushaltssigmafaktors mit dem RNAP Coreenzym beguenstigt durch dessen grosse Anzahl und die hohe Bindungsaffinitaet. Daher nutzen bakterielle Zellen verschiedene, reversibele Strategien um die Transkription durch alternative Holoenzyme zu foerdern. Dazu gehoeren Anti-Sigmafaktoren, 6S RNA und generell beliebige Transkriptionsregulatoren (z.B.: Aktivatoren oder Repressoren). Sie beeinflussen das Transkriptionsprogramm der Zelle indem sie das Resultat der Sigmafaktorkonkurrenz um die RNAP Coreenzyme zugunsten eines der Sigmafaktoren verschieben. Das Modell kann validiert werden durch Vergleiche mit in vitro Konkurrenzexperimenten, die exzellente uebereinstimmung zeigen. Wir koennen feststellen, dass die Transkription durch Konzentrationsaenderungen der verschiedenen Holoenzyme beeinflusst wird, daher ist der Effekt der Sigmafaktorkonkurrenz klein bei saturierten Promotoren. Was sich jedoch aendert bei sich ueberlappenden Promotoren oder Promotoren, die von zwei verschiedenen Sigmafaktoren erkannt werden. In diesen Faellen sehen wir einen grossen Effekt. Transkription fuehrt zu effektiv abgesekten Affinitaet zwischen den zugehoerigen Sigmafaktoren und den RNAP Coreenzymen, was zu komplizierten Verhalten fuehrt und die Frage aufwirft, inwieweit in vitro gemessenen Effekte in der Zelle wiederzufinden sind. Wir koennen den Einfluss nichtspezifischen Bindens der RNAPs, der Sigmafaktoren und der Holoenzyme an die DNA abschaetzen. Als letztes analysieren wir die Konkurrenz waehrend der "Stringent Response". Hierbei wird die Transkription der ribosomalen RNA unterbrochen was die Anzahl der freien RNAP Coreenzyme stark erhoeht. Wir sehen, dass das passive Hochregeln des alternativen sigmafaktorabhaengigen Transkriptionsprogramms durch Sigmafaktorkokurrenz moeglich und sogar hypersensitiv ist. Unsere theoretische Analyse zeigt, dass die passive Kontrolle in diesem Fall eine signifikante Rolle im globalen umschalten des Transkriptionsprogramms spielt und liefert neue Erkenntnisse zur RNAP Partitionierung in der Zelle. T2 - Ein Modell für die Konkurrenz zwischen Sigmafaktoren in Bakterienzellen KW - biophysics KW - systems biology KW - gene regulation KW - stress response KW - Biophysik KW - Systembiologie KW - Genregulation KW - Stressantwort Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72098 ER -