Semidan Robaina Estevez

• 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 methodAll 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.…
• 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 kontextspezifischenAlle 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.…