Vom Genom zum systemweiten Verständnis des Stoffwechsels thermoacidophiler Sulfolobales

Helmecke, Julia ORCID

Archaeen sind weltweit verbreitet und selbst in Lebensräumen zu finden, in denen Leben unmöglich scheint. Um an diese lebensfeindlichen Umweltbedingungen angepasst zu sein, haben Archaeen einzigartige metabolische Strategien entwickelt und sind daher besonders für den Bereich der Biotechnologie von Interesse. In dieser Arbeit wurden thermoacidophile Sulfolobales untersucht. Um eine Basis für metabolische Modellierung zu schaffen, wurden vier repräsentative Vertreter dieser Ordnung einer Reannotation unterzogen. Als Ergebnis wurde der Anteil uncharakterisierter Proteine von 32 % auf 18 % verringert. Mit der MMTB wurde eine webbasierte Plattform zum Erstellen und Analysieren metabolischer Modelle entwickelt. Die Erstellung der Modelle wird durch Verknüpfung von biochemischen Reaktionen und Genomannotationen möglich. Die Analyse der Modelle wird durch neue Visualisierungen und eine Schnittstelle zur Open-Source Toolbox Metano möglich. Auf Basis der Reannotation und mit Hilfe der MMTB wurde ein genomweites metabolisches Modell von Sulfolobus acidocaldarius generiert. Dieses Modell ist in der Lage, quantitatives Wachstum von S. acidocaldarius vorherzusagen und wurde anhand zweier Beispiele evaluiert. Erstens zeigte eine Analyse des Aminosäurekatabolismus, dass der Abbauweg von Valin von der Verfügbarkeit anderer Aminosäuren abhängt. Zweitens zeigte eine metabolische Optimierung, dass die Insertion einer Phosphofructokinase für die Produktion von Ethanol in S. acidocaldarius essenziell ist. Die Reannotation konnte ebenfalls für die Erstellung von Karten des Stoffwechsels der vier Sulfolobales verwendet werden. Um diese Karten zu erweitern und die Integration systembiologischer Daten zu ermöglichen, wurden die MetaboMAPS entwickelt, eine webbasierte Applikation, die große Datensätze direkt auf den metabolischen Karten visualisiert. Diese neuartige Visualisierungstechnik wurde einer internationalen Nutzergruppe zur Verfügung gestellt, indem sie in die BRENDA Stoffwechselkarte integriert wurde. Die vorliegende Arbeit trägt mittels Reannotation, metabolischer Modellierung und Entwicklung der MetaboMAPS zum systemweiten Verständnis der Sulfolobales bei. Zudem bereichert diese Arbeit die systembiologische Forschergemeinschaft, indem sie die MMTB-Plattform und neue Funktionen zur Datenintegration in die BRENDA Stoffwechselkarte bereitstellt.

Archaea are globally distributed and can even be found in harsh environments, including high salt concentrations, acidic or alcaline pH, as well as temperatures close to the boiling or freezing point of water. Archaea evolved unique metabolic strategies to adapt to these hostile conditions and are therefore of high interest to biotechnology. In this study, the metabolism of thermoacidophilic Sulfolobales was investigated. In order to establish a basis for metabolic modeling and systems biology, the genomes of four members of Sulfolobales were reannotated. As a result, the amount of uncharacterized proteins was reduced from 32 % to 18 %. MMTB, a web-based tool, was developed for generating and analyzing metabolic models. Generating models is accomplished by associating biochemical reactions to genome annotations. Analyzing models is accomplished via visualizations and an interface to the open source toolbox Metano. On the basis of the reannotation and with help of MMTB, a genome-wide metabolic model of Sulfolobus acidocaldarius was developed. The generated metabolic model is able to predict quantitative growth of S. acidocaldarius and was evaluated and used in two use cases. First, investigating the catabolism of amino acids revealed that the valine degradation pathway depends on availability of other amino acids. Second, investigating targets for metabolic engineering to produce ethanol from lignocellulosic biomass revealed that inserting a phosphofructokinase is essential for ethanol production in S. acidocaldarius. Further, the reannotation was used to draw metabolic maps for the four Sulfolobales. To enhance those maps and allow integrating systems biological data, the web-based MetaboMAPS was developed. MetaboMAPS directly visualizes large-scale datasets on the metabolic maps. This innovative visualization technique was made available to an international audience by integrating it into BRENDA metabolic pathway maps. This study contributes to the systems understanding of Sulfolobales, by providing reannotation of four species, genome-wide metabolic modeling, and development of MetaboMAPS. The value of these contributions was demonstrated in several examples from the disciplines of systems biology and biotechnology. Additionally, this work contributes to the community of systems biology by providing the MMTB and new data integration tools in BRENDA metabolic pathway maps.

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Helmecke, Julia: Vom Genom zum systemweiten Verständnis des Stoffwechsels thermoacidophiler Sulfolobales. 2019.

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