Kinetische Modellierung zur Analyse der Regulation des Zuckermetabolismus von Arabidopsis thaliana und der Elektronentransportkette von Escherichia coli

Die vorliegende Dissertation umfasst die Analyse ausgewählter Prozesse regulierter Stoffwechselsysteme. Das Systemverhalten von zwei konkreten biologischen Beispielen wird mithilfe von systembiologischen Methoden, insbesondere durch parametrierte kinetische Modelle, hinsichtlich zugrundeliegender Mechanismen analysiert. Der Zuckermetabolismus der Pflanze Arabidopsis thaliana folgt einem Tagesgang. Es wird untersucht, welche strukturellen Elemente das wesentliche Verhalten bestimmen und welche Rolle der Invertase zukommt. Mithilfe einer systembiologischen Analyse werden neue biologische Erkenntnisse beschrieben: ein Großteil des durch Photosynthese aufgenommenen Kohlenstoffs wird aus dem Blatt exportiert, diese Exportrate ist nicht direkt abhängig von den betrachteten Konzentrationen, die Invertase und weitere Reaktionen des Kreisflusses regulieren das System. Innerhalb des mikroaeroben Bereiches geschieht eine Anpassung des Bakteriums Escherichia colian die Sauerstoffverfügbarkeit. Es wird ein kinetisches Modell vorgestellt, in welchem das beobachtete Verhalten im wesentlichen durch die regulierte Elektronentransportkette erklärt wird. Dabei wird Ubichinon als wesentliches Signal für ArcBA beschrieben. Es werden Modelle vorgestellt, welche mechanistische und phänomenologische Anteile besitzen, aus wenigen Komponenten bestehen und die Bilanzierung wichtiger Größen nutzen. Dieser Ansatz wird für regulierte Stoffwechselsysteme empfohlen, über deren betrachtete Prozesse vergleichsweise wenig bekannt ist, deren Anzahl verfügbarer Messgrößen gering ist, deren Anzahl dynamischer Komponenten jedoch auch als gering angenommen werden darf. Es werden Systeme analysiert, deren Verhalten intuitiv nicht erfassbar sind, welche aber durch kinetische Modelle interpretierbar werden.