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SUMO - Systems Understanding of Microbial Oxygen Responses

Übersicht

Dieses Projekt ist Bestandteil des SUMO Consortiums (Systems Understanding of Microbial Oxygen Responses, dt. Systematisches Verstehen mikrobieller Reaktionen auf Sauerstoff) innerhalb von externer LinkSysMO(englische Version) (Systems Biology of Microorganisms, dt. Systembiologie der Mikroorganismen). In der ersten Förderperiode wurden zwei Modellierungsansätze für die Sauerstoffantwort in Escherichia coli am ISYS untersucht: (I) Detaillierte kinetische Modellierung der Elektronentransportkette und (II) Die Modellierung reduzierter Ordnung des Gesamtmetabolismus. In SUMO2 werden die Untersuchungen und damit die Modelle um eine detaillierte Beschreibung der Substrataufnahme und das Systemverhalten bei anaerober Atmung erweitert.

SUMO1 - (I) Detaillierte kinetische Modellierung der Elektronentransportkette von Escherichia coli

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der detaillierten kinetischen Modellierung, Identifikation und Analyse des Tricarbonsäurezyklus (Zitronensäurezyklus, Citratzyklus, Krebszyklus) und der Elektronentransportkette (Atmungskette) von Escherichia coli (en. Detailed kinetic modelling, identification and analysis of the citric acid cycle and respiratory chains of E. coli). Im Vergleich zur reduzierten Modellierung zielt dieses Teilprojekt auf die Widergabe schneller Dynamik ab, indem die Mechanismen dieser Prozesse detailliert modelliert werden und weniger Annahmen bezüglich der Reduktion getroffen werden. Besonders für die Identifikation und die Analyse werden deshalb auch schnelle dynamische Messwerte benötigt. Das Gesamtziel ist ein Simulationsmodell der  erwähnten Reaktionsnetzwerke bei unterschiedlicher Sauerstoffverfügbarkeit. Der einzelne Mikroorganismus und die Gesamtpopulation kann sich nämlich dadurch anpassen, dass die Aktivität der Enzyme unterschiedlicher Eigenschaften aber für die gleiche Reaktion reguliert werden.  Deshalb geben Mutanten, bei denen die Synthese eines oder mehrerer dieser Enzyme ausgeschaltet sind, Einblick in die Regulationsmechanismen. Das Simulationsmodell kann dabei helfen, welche Mutanten untersucht werden sollten und welche zukünftigen Experimente und Messdaten nowendig sind.

Fig. 1 - ETC (Struktur) von E.coli

SUMO1 - (II) Modellierung reduzierter Ordnung des Metabolismus von Escherichia coli

Die Reaktion von Escherichia coli auf unterschiedliche Sauerstoffverfügbarkeit beinhaltet eine umfangreiche Änderung der Flüsse durch den Metabolismus. Das Ziel dieses Projekts ist deshalb ein Verständnis der regulatorischen Prozesse, die zu dieser Anpassung an Sauerstoff führen. Das soll mithilfe eines mathematischen Modells der Regulationssysteme und der relevanten Reaktionspfade (zentraler Metabolismus, Elektronentransportkette und Gärprozesse) geschehen. Da das betrachtete System sehr groß ist, bedarf es der Entwicklung einer reduzierten Beschreibung, die in der Lage ist, die hauptsächlichen Effekte wiederzugeben.

SUMO2 - Ganzheitliches Verständnis des sauerstoffabhängigen und -unabhängigen Katabolismus von Escherichia coli

In SUMO2 sollen das in SUMO1 betrachtete System und die entsprechenden Modelle erweitert werden. Am ISYS erfolgt weiterhin eine Kombination aus detaillierter und reduzierter Modellierung. Innerhalb von SUMO2 werden drei Hauptthemen betrachtet:

  1. Die Systemdynamik bei einem Übergang zur anaeroben Atmung sowie die Systemantwort auf Pulse von Elektronenakzeptoren.
  2. Die Anpassung des Katabolismus bei unterschiedlicher Substratverfügbarkeit.
  3. Modellierung der innerhalb von 1. und 2. untersuchten biologischen Fragestellungen auf unterschiedlichen Größenordnungen und Leveln sowie Modellintegration.

 Partner

Das SUMO Consortium ist eine europäische Kooperation von fünf Gruppen aus Sheffield, Amsterdam, Magdeburg, Edinburgh und Stuttgart. Die Gruppen am ISYS in Stuttgart, dem externer LinkMPI in Magdeburg, dem externer LinkDCS in Sheffield(englische Version) und dem externer LinkIANC in Edinburgh(englische Version) beschäftigen sich mit der Erstellung von Simulationsmodellen. Die Gruppen am externer LinkMBB in Sheffield(englische Version), dem externer LinkSILS in Amsterdam(englische Version) und dem externer LinkMPI in Magdeburg führen die Experimente durch. Gemeinsam werden konkrete biologische Fragestellungen untersucht.

Förderung

SUMO ist Teil der externer LinkSysMO(englische Version) Initiative, die in einem Verbund des externer LinkProjektträgers Jülich von verschiedenen europäischen staatlichen Fördereinrichtungen getragen wird. Die deutschen Projekte werden dabei vom externer LinkBMBF gefördert.

Kontakt

uni-intern M.Sc. David Knies
Pfaffenwaldring 9, Raum 3.201
telefon +49(0)711 685-66296
mailto icon E-mail: David Knies