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Multiscale modeling of bacterial chemotaxis [Elektronische Ressource] / presented by Nikita Vladimirov

203 pages
ofinbsubmitted9.12.2009toNaturaltheVladimiroComDatebinedtheFctoracultiespresenforDipl.-Math.thebNaturaltaSciencesoralanforddegreeforDoMathematicsofofSciencesthetedRupyerto-CarolaNikitaUnivversitornyAlma-Aof(Kazakhstan)Heidelboferg,examination:GermanDissertationyDirkVictorProf.MultiscalePriv.-Doz.MoTitledelingDr.ofSourjikBaDr.cterialLebiedzChemotaxisRefereesbacterialthebacteriaOneoutpofanalysistheCheAcenwithtralexpquestionsasoftmoshodernssystemsylation,biologyisiswthearolewofinmicroscopicdelparametersstudyofpropaobservsingleofcellagellarinctheblingbmotors.ehaaviortofduciadatacell,paopulation.TheMultiscalevmots.delsclusterhelpconstantogradienaddressbthis.problem,gradienallooptimalwingnarroto,understandregulatorpopopulationtionsbkehathroughviorandfromatheeralinformationmoabtedoutRapidCell.single-cellthemolecularulationcinompgonenmentspathandsensitivitreactions.
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DoDissertationAlma-AsubmittedytofortheSciencesComvbinedofFdegreeacultiesoffortedtheNikitaNaturalornSciences(Kazakhstan)anexamination:dtheforofMathematicsctorofNaturalthepresenRupberto-CarolaDipl.-Math.UnivVladimiroersitbyinoftaHeidelbDateerg,oralGerman9.12.2009yLebiedzTitleSourjikMultiscaleDr.MoDr.delingProf.ofVictorBaPriv.-Doz.cterialDirkChemotaxisRefereespSummaryCheBOneinoferformstheofcenkinasetralsevquestionseriofusedmoypdernwnsystemsinbiologyrunningisimplementheareroleyofamicroscopicdierenparameterssuggestedofcaertiessingleedcelltheinmotors.thehemotacticbofehaTheviorprogramofsim-ancellonpandopulation.computationallyMultiscalemomoestigatedelsAhelp(MWtot-activiaddresstthisehaproblem,Usingallot,wingctowunderstandwherepCheYopulationeratingbfurtherehaimproviormethfromtumthecellinformationagellarabdeloutinsingle-cellItmolecularpresencsoftompreproonenthetstalandwreactions.yThisulatesgoalinrequirestmo.delswthatinarehemotaxissuciengradientlycaldetailedreceptortomocapturenew,cenytralofinsystematicallytracellularcproofcesseosunique,thisbisuttheatistheasameoftimeyenabletrationsimonseulationfalloftheenoftireula-cellthatpfeedbacopulations.esInthroughthisylation,wandorkblingaanowithveralelmotors.mmoultiscaleis(htedybrid)amoRapidCell.deloutpisthepresentted,ulationwhicwhindescribduciesgcexphemenmo-datatacticpathEscherichiaacsensitivitoli,bacteriumsimbbacterialyopulationsaacomecienbinationwofyheterogeneousThemathematicaldelapproacashestoinvonecplatform:inrapid-equilibriumt(algebraic)ts.motheoreti-dels,analysisordinarythedieren-clustertialC)equations,delandastoconstancthastictproecesses.gradienThetomstudyultiscalehemotactiapproacbhviorisbacteriabasedsilicon.time-thescalepropseparationofofgradienkiteyshoreactions.thatTheoptimalresulhemotaxistobserviinngnarromorangedelCheAofactivitc,heconcenmotacticofbacteriumrespde-regulatorscribpesssignaltoproopcessingrangebagellarySimmixedtionscconrmhemoreceptortheclustersphosphorylation(MWkCvmocdel),iadaptationisiitheeciencylikinorganisms,aoptimizationnultiscumwhicbiseryofsevgradienatsimpbandytlyshiftingothegradienatvmonsteragehCheYtuningpotherconcenolutionarytrationtedtounderstandingttaltheemotorcomplicatedoptaleratingwrange.presenComparativaimedeysiminulationsdriftoft.motilitnewyoliineliquidandandangle.peorousagellatedmedialevsuggestcthatasadaptationcantimehrequiredehaforortanoptimaloutccarryhemotaxishighdepbendserimenonabundanthetransduc-medium.noIntegrateliq-wideuidbiologicalmedium,inthescales"vpredictedariabilitmoyitindramaticadaptationthetimeseloamongthecellsresultmasyelbE.ehemotaxis,evfromolutionaryhingfaagellarvresultingourabletumtostrategyensuretoco-existenceboferitricsubpandopulationsetthatofwillinbConcluding,emooptimallyonetacticeinedierentttgradiencellts.TheyHoim-wexpevwledgeer,biologicaliwncomputationalatspyorousmamediumto(agar)ex-suctrials.htherevexpariabilitonyinappthereearsmathematicaltotobmoeerlessofimpinortanThist,newbwecause"bridgeagarbiologystructuretpbosethesdelmainlysmall,negativresultseaselection,enhancemenagainstofsubpcellularopulationsvwithcitloalongwgradienlevThiselsdeofrateadaptaalevtofiinoncenzymes.cAwhicdetailedarisesmcollectivoswitcdelofoferalcellmotorsmaotionnepredictsofexistenceblingofSimilaranisadditionalelymecbhanismusedofygradienpthouslynabacteria,vigationindicatesinyE.anotherceloliev.optimizationBasedbacterialonhemotaxis.themexpaleerimendelstallytheobservpresenedhdepreebndenceanofortancellresearctuminstrumenblingforangletheonbthevior.nreectummostbpertoferimencloknocabkwise-rotatingthemotors,system,theallomotodeloutsuggestsexpthatrimennotofonlycomplexitth,ehtumyblingefrequencyo,forbutpalsotaltheCurrenangle,ofisreorienttationerimenduringdataasignaltumtionblelivingdepbutendsisongeneraltheframeswimmingorkdirectioninalongheterogeneousthedelsgradienvt.theAlthoughrangethescalesdier-tencemostinsystems.meanthesistumablingstoneanglethesorkuptoandthedoinwn.thebarkKurzfassungtrationMulti-SkAktivitalenMoMobdellidieerungTunderbSimdieserulationtheoretiscinonderhBiolAogieZellensindRapidCellnotanwumeriscendig,Multi-Skumhiedenenzel-ergibtlulsystematiscareHilFoptimaleunktionalitwird,at(MWaufRezeptormethderundBasismehreremolekulSoftarerSoft-KChemotaxis-MoomptliconentellertenMitundtReaktionenwirdzuolivtersucerstehen.RezeptorclustermoDazutensindhmathematiscchehenMospdetenlleengenerforderlicbh,dendiepinMotrazelluldurcaresoProzesseewhinreicaumelnhenddurcdetailliertmotoren.bwirdescarepakhreibtiert.earen,bgleicllehzeitighinsicabReproerexpezienundtEzienzndesumerisceithekSimMoulatio-Chemo-nenE.vvontenganzent.ZellpAnalyseopulationen(MWerlaubneuartigenen.onstanZuderdiesemesondersZwinecStudiekhemotak-wirdeignet.indedieserEigenscArbGradieeitgezeigt,eininmatsbultiskCheAaligeshHybrid-MoKdellRegulatorproteinsenChemorezeptorentCwicdell),kdaptationelt,hwylierung,elcwiehesranslationsbdieegungChemotaxisTbdereigesteuertEscherichiahcFlagellen-oliDasBakteriendellbimescwhreibt.etDasimplemenMoDiedwevllessertvestehendeereinigtdeklassiscsignikhetheterogenehmathematis-hcduzier-heeitAnserimenatzeDatenzurnMoherde.llierung:HilfescinhnelleArbGleicenhgewicwicheltentsannahmenalen(aldellsgebraiscdiehetaxisGleei-cicinherscungen)GradienaufunderhBasisEinevheondesZeitskdellsalenseparatioC)neinen,Gradiengew?kohnlicterheat,DierensictialgleicbhzurungenhenundsilistoocvhastiscchetiscProzesse.BakterienDasMitresultierendefeGesamrtmoeziellendellhaftendersesbakteriellennChemo-wirdtaxisdassbChemotaxisesceinemhreibtAktivitdieereicSignalprozessierungderaufKinasedereobacBasistetvfonurgemiscdiehonzentendesClusternCheYviiionWissenivScimelOpmotaxiserationsbeereicewhaucdeswissenscFlagellenmotorsliegt.abhSimoueilermationeneisenbypestren.atigenwwTeiter-eimhin,mittledasshFeineedbacDiesesk-Regul,atundigienonFlagellendurcolutionhdassCheBeltenPhosphorylierungumdietiertChemotaxisezienzoverscerbnacessert,derindemedieenmittlereohlCheYTp-Kbzw.onzenten,trationsagt,idernangdenneuesOponerationsbaufereictorenhdesdesMotorswvanderenerscspiehobeitereenbak-wiorliegenderdelled.enVeinerglteicerhaltenhendereSimvulationenhderhoherBakterieerimennundenmtierungswinkotilitdeatvitierungnTFlegunghussigmeGradiendObiDierenzumeundl-pAufworwosendesMediendasdeutenvdaraufist,hin,herdassarenZell-zu-Zell-VenariabilitGradienatdemonstriertinatsprinzipdenChemotaxisAcdaptationszeitenelceinoevmehrererolutioneruharerFVaumelwinkorteilhist,hedererdenBakterienpheinlicopulabteritricieineonenundineineeneOptimierungussigenCMedienDiedurceithalendieomKsowicexistenzmotaxis-MovhonhesSubpkopulationenaresoptimalestChemotaxisezienzChemotaxis-MoineverimenerschiedenenermGradienintenerimenermomplexitoglichehaust.GrInundurcp-orelosenhMemdaumelnionenOrien(Agar)derwreiranslationsbstwsicbhScdiewimmseimVtenariabilitangt.atwalsdiewderenigerrbnedeutsam,aumedawinkdieinParts-orenstrukturAbdesartsricMediumstungeineGradiennegativdieenMSelektiondellvorher-onkleinSubpresultiertopulationendeutlicmitAnstieggeringemzellulExpressionsnivDriftbeauegungvtlondesAten.daptationsenzymenErgebnisbeinewirkt.OptimalitEinbdderevtailliertesE.MoolidelwlhesderkZellfortbordiniertemewhaltenegungFlagellenmo-durcbhtFlagellenmotorrotationeineweinregulationeistTaufelsdieoglicExistenzt.einesAhnliczusStrate-atzliwcsehrhenahrscMechhanismhuseiderpNahenvigatiobakteriennRollevlenonwE.aufcwoliEbBakterienevinarerGradiendertenteriellenhin.heAufhin.dervBasisArbexpdemonstriert,erimenMulti-SktellerMoBeobacvhTtungendezurhierAbhtangigkkeitChedesdellsTwicaumelwinktigeselshaftlicvInstrumenonseinderonnen,ZahlzellulderVCW(clozucudiekwiseDas)dell-rotierendenk-FlageexpllenmotorentellzeigterfdasugbaresMounddell,oglicdasstnicsilichExpttenKurat,dieelcTexpaumelfrequenz,tellsondernvauchiedenstenhdeggf.rhfReorieuhrbarnerscvsind.eGegenatzewiartigAufgabwheterogeneerdeninhindenArbBiozurwissenscalenhaftenRahmen,detailliertedeundherzunehmenderquan-Sktitativegetegrieren.DatenitneuenubosungerdieserSignaltransduktionsmecubhanismenkung.inumlebMoendenllierungsansOrganismenbiologiscakku-Systememubuliert,vabhiedeneeraleninwderzuRegelngibtDieseeseklieferteineninenallgemeiBausteinnLgdereultigenSkmaterbrheucmatischento??????????inspired?who???v?y??????,a?to??????forw????m??Mother,???alw????????ys????me????mo?e??????ard)(Dedicated