Vergleichende Genomanalyse und mathematische Modellierung von Pathogenitäts- und Regulationenmechanismen bei Bakterien

Roselius, Louisa

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung bioinformatischer Methoden und mathematischer Modellierung in der Mikrobiologie. Sie ist in drei Teile gegliedert. Der erste Teil handelt von der Lokalisation von Transposons. Mittels Analyse von Transposoninsertionen in Genomen können Genfunktionen bestimmt werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus mit dem Namen InFiRe lokalisiert Transposoninsertionen innerhalb von Prokaryotengenomen über individuelle Verteilungen von Restriktionsenzymschnittstellen. Nach mehreren Restriktionsreaktionen, anschließender Southern-Blot-Hybridisierungen und InFiRe kann einer Transposoninsertion eine Positionen innerhalb des Genoms zugeordnet werden. Durch InFiRe kann eine schnelle und günstige Lokalisierung der Transposons innerhalb von Genomen erfolgen, auch unter für frühere Techniken problematischen Bedingungen. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Genregulation untersucht. Mittels solcher Regulation können sich Bakterien an wechselnde Bedingungen anpassen. Diese Regulationen können durch Modellierung von Differentialgleichungen mathematisch dargestellt, analysiert und ausgewertet werden. Innerhalb dieser Arbeit wird eine Feedforward-Schleife (FFL) mit basal exprimierten Regulator modelliert. Die basale Produktion dieses Regulators kostet Energie. Mittels einer Kosten-Nutzen-Optimierung wird diese Regulation unter wechselnden Bedingungen analysiert. Diese Regulation kann z.B. in Pseudomonas aeruginosa in der anaeroben Anpassung beobachtet werden. Durch die Modellierung der FFL kann das Verhalten von P. aeruginosa bei wechselnden Sauerstoffbedingungen analysiert werden. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung einer Feedback-Schleife (FBL). Diese Regulation findet man in der Initialisierung einer Infektion von Yersinia pseudotuberculosis, welche durch den globalen Virulenzregulator RovA gesteuert wird. RovA wird durch eine positive und eine negative FBL autoreguliert. Diese Regulation ist eines der ersten Beispiele für temperaturabhängige Bistabilität in Bakterien und ist angepasst auf den Bereich zwischen Umgebungs- und Wirtstemperatur. Das in dieser Arbeit aufgestellte Modell wurde mit Experimenten verifiziert und validiert. Die Bistabilität, das zeitliche Verhalten der Regulation und der Einfluss der negativen FBL sind untersucht worden.

This thesis deals with the development of bioinformatical methods and mathematical modelling in microbiology domain. The work is divided into three parts. The first part localises transposon insertion sites in bacteria genomes. The position of these transposon insertion sites is an important tool to determine gene functions. The algorithm InFiRe is developed in this thesis to detect transposon insertion sites in prokaryotic genomes by using the characteristic distribution of restriction cuts. After restriction digestion followed by a Southern-Blot hybridisation and InFiRe a transposon can be associated with a position within a genome. InFiRe allows fast and cheap detection of transposon insertion site, even under circumstances which are difficult for previous methods. The second part investigates a regulation motive. Bacteria adapt to changing environments with the help of gene regulations. These regulations can be mathematically modelled, analyzed, and evaluated by differential equation systems. In this work a feedforward loop with a permanent basal expression of one of the regulators, is modelled. The energetically expensive basal expression and the feedfoward loop is studied for fluctuating environment with a cost–benefit analysis. This regulation could be observed in the anaerobic adaptation in Pseudomonas aeruginosa. The behavior of P. aeruginosa at alternating oxygen conditions could be analysed with the proposed method. The third part of this work concerned with mathematical modelling of a feedback loop (FBL). This kind of regulation could be observed, for example, in the initialization of the infection of Yersinia pseudotuberculosis, which is controlled by the global virulence factor RovA. RovA is autoregulated by one positive and one negative FBL. This regulation is a first example of temperature dependent bistable regulation in bacteria. The bistability of the RovA concentration is adapted to the temperature range between host and external environment. The model proposed in this work was verified and refined by experimental observations. One focus of this study has been on the influence of the required time on the bistability and the effect of the negative FBL.

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Roselius, Louisa: Vergleichende Genomanalyse und mathematische Modellierung von Pathogenitäts- und Regulationenmechanismen bei Bakterien. 2014.

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