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 - Stobiecki, Maciej A1 - Skirycz, Aleksandra A1 - Kerhoas, L. A1 - Kachlicki, P. A1 - Muth, D. A1 - Einhorn, J. A1 - Mueller-Roeber, Bernd T1 - Profiling of phenolic glycosidic conjugates in leaves of Arabidopsis thaliana using LC/MS JF - Metabolomics : the official journal of the Metabolomics Society N2 - Profiling of plant secondary metabolites is still a very difficult task. Liquid chromatography (LC) or capillary electrophoresis hyphenated with different kinds of detectors are methods of choice for analysis of polar, thermo labile compounds with high molecular masses. We demonstrate the applicability of LC combined with UV diode array or/and mass spectrometric detectors for the unambiguous identification and quantification of flavonoid conjugates isolated from Arahidopsis thaliana leaves of different genotypes and grown in different environmental conditions. During LC/UV/MS/MS analyses we were able to identify tetra-, tri, and di-glycosides of kaempferol, quercetin and isorhamnetin. Based on our results we can conclude that due to the co-elution of different chemical compounds in reversed phase H PLC systems the application of UV detectors does not allow to precisely profile all flavonoid conjugates existing in A. thaliana genotypes. Using MS detection it was possible to unambiguously recognize the glycosylation patterns of the aglycones. However, from the mass spectra we could not conclude neither the anomeric form of the C-1 carbon atoms of sugar moieties in glycosidic bonds between sugars or sugar and aglycone nor the position of the second carbon involved in disaccharides. The applicability of collision induced dissociation techniques (CID MS/MS) for structural analyses of the studied group of plant secondary metabolites with two types of analyzers (triple quadrupole or ion trap) was demonstrated. KW - liquid chromatography-mass spectrometry KW - metabolite profiling KW - metabolomics KW - flavonoid glycosides Y1 - 2006 U6 - https://doi.org/10.1007/s11306-006-0031-5 SN - 1573-3882 VL - 2 SP - 197 EP - 219 PB - Springer CY - New York ER - TY - THES A1 - Bölling, Christian T1 - Comprehensive metabolite analysis in Chlamydomonas reinhardtii : method development and application to the study of environmental and genetic perturbations T1 - Multiparallele Metabolitenanalyse in Chlamydomonas reinhardtii N2 - This study introduces a method for multiparallel analysis of small organic compounds in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii, one of the premier model organisms in cell biology. The comprehensive study of the changes of metabolite composition, or metabolomics, in response to environmental, genetic or developmental signals is an important complement of other functional genomic techniques in the effort to develop an understanding of how genes, proteins and metabolites are all integrated into a seamless and dynamic network to sustain cellular functions. The sample preparation protocol was optimized to quickly inactivate enzymatic activity, achieve maximum extraction capacity and process large sample quantities. As a result of the rapid sampling, extraction and analysis by gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry (GC-TOF) more than 800 analytes from a single sample can be measured, of which over a 100 could be positively identified. As part of the analysis of GC-TOF raw data, aliquot ratio analysis to systematically remove artifact signals and tools for the use of principal component analysis (PCA) on metabolomic datasets are proposed. Cells subjected to nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) or iron (Fe) depleted growth conditions develop highly distinctive metabolite profiles with metabolites implicated in many different processes being affected in their concentration during adaptation to nutrient deprivation. Metabolite profiling allowed characterization of both specific and general responses to nutrient deprivation at the metabolite level. Modulation of the substrates for N-assimilation and the oxidative pentose phosphate pathway indicated a priority for maintaining the capability for immediate activation of N assimilation even under conditions of decreased metabolic activity and arrested growth, while the rise in 4-hydroxyproline in S deprived cells could be related to enhanced degradation of proteins of the cell wall. The adaptation to sulfur deficiency was analyzed with greater temporal resolution and responses of wild-type cells were compared with mutant cells deficient in SAC1, an important regulator of the sulfur deficiency response. Whereas concurrent metabolite depletion and accumulation occurs during adaptation to S deprivation in wild-type cells, the sac1 mutant strain is characterized by a massive incapability to sustain many processes that normally lead to transient or permanent accumulation of the levels of certain metabolites or recovery of metabolite levels after initial down-regulation. For most of the steps in arginine biosynthesis in Chlamydomonas mutants have been isolated that are deficient in the respective enzyme activities. Three strains deficient in the activities of N-acetylglutamate-5-phosphate reductase (arg1), N2 acetylornithine-aminotransferase (arg9), and argininosuccinate lyase (arg2), respectively, were analyzed with regard to activation of endogenous arginine biosynthesis after withdrawal of externally supplied arginine. Enzymatic blocks in the arginine biosynthetic pathway could be characterized by precursor accumulation, like the amassment of argininosuccinate in arg2 cells, and depletion of intermediates occurring downstream of the enzymatic block, e.g. N2-acetylornithine, ornithine, and argininosuccinate depletion in arg9 cells. The unexpected finding of substantial levels of the arginine pathway intermediates N-acetylornithine, citrulline, and argininosuccinate downstream the enzymatic block in arg1 cells provided an explanation for the residual growth capacity of these cells in the absence of external arginine sources. The presence of these compounds, together with the unusual accumulation of N-Acetylglutamate, the first intermediate that commits the glutamate backbone to ornithine and arginine biosynthesis, in arg1 cells suggests that alternative pathways, possibly involving the activity of ornithine aminotransferase, may be active when the default reaction sequence to produce ornithine via acetylation of glutamate is disabled. N2 - Entwicklung und Anwendung von Methoden zur multiparallelen Analyse von Metaboliten in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, einem der wichtigsten Modellorganismen der Zellbiologie, sind Gegenstand dieser Arbeit. Metabolomanalyse, die umfassende Analyse von Veränderungen der Konzentrationen von Stoffwechselprodukten durch Umweltreize oder genetische und entwicklungsbedingte Signale, ist ein wichtiges Komplement anderer Genomanalysemethoden, um die Integration von Genen, Proteinen und Metaboliten in ein nahtloses und dynamisches Netzwerk zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen eines Organismus zu verstehen. Die Methode wurde im Hinblick auf schnelle Inaktivierung enzymatischer Aktivität, Maximierung der Extraktionskapazität und Behandlung großer Probenmengen optimiert. Im Ergebnis der Probenaufarbeitung, Extraktion und Analyse mittels Gaschromatographie und Time-Of-Flight-Massenspektrometrie konnten mehr als 800 analytische Signale in Einzelproben dargestellt werden, von denen über 100 identifiziert werden konnten. Die Arbeit stellt methodische Innovationen zur systematischen Erkennung von Artefakten in GC-MS Chromatogrammen und Werkzeuge zur Anwendung der Hauptkomponentenanalyse auf Metabolom-Daten vor. Zellen unter Stickstoff- (N), Phosphor- (P), Schwefel- (S), oder Eisen- (Fe) Mangel zeigen deutliche Unterschiede in ihrer Metabolitenausstattung. Die Anpassung an die einzelnen Nährstoffmangelsituationen ist durch spezifische Änderungen einer Reihe von Metaboliten zentraler Prozesse des Primärstoffwechsels gekennzeichnet. Die Konzentrationsänderungen von Substraten für die Stickstoffassimilation und den oxidativen Pentosephosphatweg deuten darauf hin, dass die Fähigkeit zur schnellen Aktivierung der N-Assimilation auch unter Bedingungen herabgesetzter Stoffwechsel- und Wachstumsaktivität aufrechterhalten wird. Die Akkumulation von 4-Hydroxyprolin unter Schwefelmangel könnte im Zusammenhang stehen mit der Degradation von Proteinen der Chlamydomonas-Zellwand, deren wesentlicher Bestandteil hydroxyprolinreiche Glykoproteine sind und die unter Schwefelmangel aktiv umgebaut wird. Die Anpassung an Schwefelmangel wurde mit größerer zeitlicher Auflösung in Wildtyp-Zellen und Zellen des sac1-Stammes untersucht. SAC1 ist ein zentraler Regulator der Schwefelmangelantwort in Chlamydomonas. Zeitgleiche Ab- und Zunahme von Metaboliten ist ein charakteristisches Element der Anpassung an Schwefelmangel in Wildtypzellen. Die Reaktion von SAC1-Mutanten auf Schwefelmangel ist durch weit reichenden Verlust zur Steuerung von Prozessen gekennzeichnet, die normalerweise zur vorübergehenden oder dauerhaften Anreicherung bestimmter Metabolite führen. Die Verfügbarkeit von Chlamydomonas-Stämmen mit fehlender Enzymaktivität für fast jeden der Schritte der Argininbiosynthese eröffnet die Möglichkeit, das Potential der Metabolitenanalyse zur Untersuchung der Regulation der Aminosäurebiosynthese in photosynthetischen Eukaryoten zur Anwendung zu bringen. Drei Stämme, mit fehlender Aktivität für N-Acetylglutamat-5-phosphat Reduktase (arg1), N2 Acetylornithin-Aminotransferase (arg9) beziehungsweise Argininosuccinat Lyase (arg2) wurden in Bezug auf die Aktivierung ihrer endogenen Argininbiosynthese nach Entzug externer Argininquellen analysiert. Die einzelnen enzymatischen Blocks konnten durch Precursor-Anreicherung, wie die Anhäufung von Argininosuccinat in arg2-Zellen, und Erschöpfung von Intermediaten nachgelagerter Reaktionen, beispielsweise die deutliche Abnahme von N2-Acetylornithin, Ornithin und Argininosuccinat in arg9-Zellen charakterisiert werden. Das unerwartete Vorhandensein von zum Teil das Wildtyp-Niveau überschreitender Mengen von N2-Acetylornithin, Citrullin und Argininosuccinat, die Produkte bzw. Substrate dem enzymatischen Block nachgelagerter Reaktionen in arg1-Zellen sind, bot eine Erklärung für eine noch vorhandene Restkapazität zum Wachstum des arg1-Stamms auch ohne äußere Arginingabe. Der Nachweis dieser Verbindungen sowie die ungewöhnliche Anreicherung von N-Acetylglutamat, der ersten Verbindung, die das Glutamat-Gerüst für die Ornithin- und Argininsynthese bindet, in arg1-Zellen könnte auf alternative Reaktionen, möglicherweise unter Beteiligung von Ornithin-Aminotransferase, zur Synthese von Ornithin hindeuten, die in Erscheinung treten, wenn die Synthesekette nach Acetylierung von Glutamat blockiert ist. KW - Chlamydomonas KW - Metabolite KW - Schwefel KW - Argininbiosynthese KW - Stoffwechsel KW - Chlamydomonas KW - metabolite profiling KW - metabolomics KW - sulfur KW - arginine biosynthesis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11329 ER -