Metabolische Modellierung thermophiler Prokaryoten

Stark, Helge Sebastian

In der Systembiologie werden durch die mathematische Modellierung unterschiedlichster molekularer Prozesse neue Erkenntnisse über biologische Netzwerke gewonnen. So kann durch die Rekonstruktion genomweiter metabolischer Modelle der Stoffwechsel von Organismen bioinformatisch analysiert werden. Hochinteressant für biotechnologische Fragestellungen ist dabei besonders der Stoffwechsel thermophiler Prokaryoten, für die allerdings nur eine sehr geringe Anzahl genomweiter metabolischer Modelle existiert. In dieser Arbeit wurden zwei Ziele verfolgt. Zum Einen sollten etablierte Softwarepakete für die metabolische Modellierung zu einer Modellierungsplattform zusammengefügt werden. Zum Anderen sollten verfügbare metabolische Modelle thermophiler Prokaryoten erweitert und der Kohlenhydratstoffwechsel dieser Organismen erstmals für viele verschiedene Kohlenstoffquellen detailliert charakterisiert werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Modellierungsplattform unterstützt die automatisierte Durchführung und Analyse einer großen Anzahl an Simulationen und ermöglicht erstmals die vollständig datenbankbasierte Verwaltung und Analyse metabolischer Modelle. Neben einer Anzahl etablierter mathematischer Methoden werden auch neue graphische Analysemethoden wie die elementzentrische Analyse von Modellflüssen zur Verfügung gestellt. Die metabolischen Modelle der thermophilen Prokaryoten T. thermophilus HB27 und S. solfataricus P2 konnten in dieser Arbeit in Umfang und Qualität deutlich erweitert werden, sodass sie nun als die umfangreichsten genomweiten metabolischen Modelle thermophiler Prokaryoten gelten. Am Beispiel des Modells von T. thermophilus wurde gezeigt, dass die elementzentrische Analyse von vorhergesagten Kohlenstoffflüssen sehr gut mit experimentellen 13 C-Analysen übereinstimmt. Die temperaturabhängigen Parameter in diesem Modell führen außerdem zu besseren Vorhersagen für unterschiedliche Wachstumstemperaturen. Die Analyse des Modells von S. solfataricus zeigte, dass der Organismus einige alternative Stoffwechselwege zur Fixierung von CO2 und der Regeneration von Reduktionsäquivalenten besitzt. Das Modell konnte zudem dazu beitragen, die Abbauwege von L-Fucose und verschiedenen Aminosäuren im Organismus aufzuklären. S. solfataricus nutzt dabei bemerkenswerterweise oft identische Enzyme für den Abbau mehrerer Substrate.

In the field of systems biology new insights on biological networks are being acquired via mathematical modelling of various molecular processes. In this regard, the reconstruction of genome-wide metabolic models allows for the in silico analysis of an organism’s metabolism. The metabolism of thermophile prokaryotes is of especially high biotechnological interest. However, only a small number of genome-wide metabolic models has yet been published for thermophile organisms. In this work two major aims have been pursued. First, established software for metabolic modelling should be integrated into a modelling platform. Second, available metabolic models of thermophile prokaryotes should be expanded and the carbohydrate metabolism of these organisms should be characterised for the first time in detail for various carbon sources. The modelling platform that was developed in this work features the automated execution and analysis of large numbers of simulations and allows for the completely database-based administration and analysis of metabolic models. Next to established mathematical methods for the analysis of metabolic models the platform features new graphical methods like the element-centric analysis of in silico fluxes. The metabolic models of the thermophile organisms T. thermophilus HB27 and S. solfataricus P2 were successfully expanded in size and quality and can now be considered the largest genome-wide metabolic models of thermophile prokaryotes. Using the model of T. thermophilus it was demonstrated that the element-centric analysis of predicted carbon fluxes is in good agreement with experimental 13 C-fluxes. Temperature-dependent parameters that have been added to this model yield better predictions for different growth temperatures. The analysis of the metabolic model of S. solfataricus shows that the organism possesses a number of alternative pathways for the fixation of CO2 and the regeneration of reducing equivalents. The model also contributed to the elucidation of the degradation pathways of L-fucose and various amino acids. S. solfataricus remarkably uses same sets of enzymes for the degradation of multiple substrates.

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Stark, Helge: Metabolische Modellierung thermophiler Prokaryoten. Braunschweig 2017.

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