In silico modeling of cation homeostasis in Saccharomyces cerevisiae [Elektronische Ressource] / Susanne Gerber. Gutachter: Edda Klipp ; Hella Lichtenberg-Fraté ; Christof Schütte

M.Sc. Susanne Gerber

Description

In Silico Modeling of Cation Homeostasis inSaccharomyces cerevisiaeDissertationzur Erlangung des akademischen Gradesdoctor rerum naturalium(Dr. rer. nat.)im Fach Biophysikeingereicht an derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät IHumboldt-Universität zu BerlinvonM.Sc. Susanne GerberPräsident der Humboldt-Universität zu Berlin:Prof. Dr. Jan-Hendrik OlbertzDekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:Prof. Dr. Andreas HerrmannGutachter:1. Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp2. Ph.D. Hella Lichtenberg-Fraté3. Prof. Dr. Christof Schütteeingereicht am: 24.03.2011Tag der mündlichen Prüfung: 27.07.2011Ich widme diese Arbeit meinen Elternfür Ihre bedingungslose Unterstützungzu jeder Zeit und in jeder Lebenslageauf dem Weg bis hierher.DanksagungAn erster Stelle möchte ich mich bei Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp bedanken, fürdie Überlassung des hochinteressanten Themas, die wissenschaftliche Betreuung und diewertvollen Ratschlägen die sehr zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Diegleichzeitig große Freiheit, die ich während der gesamten Zeit hatte, ermöglichte es mirauch weitere interessante Fragestellungen die sich im Rahmen des Forschungsprojektesaufgetan haben zu verfolgen und dabei neue Interessen und Fertigkeiten zu gewinnen.Genau so sehr möchte ich auch meiner Zweit-Betreuerin, PD Dr. Hella Lichten-berg-Frate´ danken, die mich seit meinem Start im Translucent-Projekt in vielerlei Hin-sicht unterstützt und gefördert hat.

Sujets

• Biologie

Informations

• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 67
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

In

SilicoMoSacchadelingofromycesCationcerevisiaeHomeostasis

Dissertation

GradesakademischendesErlangungzur

naturaliumrerumrctodonat.)rer.(Dr.BiophysikachFim

deraneingereichtFMathematisch-NaturwissenschaftlichenakultätBerlinzuitätoldt-UniversHumb

vonM.Sc.erGerbSusanne

Prof.PräsidentDr.derJanHumb-HendrikOlboldt-UniversitäertztzuBerlin:

Prof.DekanDr.derAndreasHerrmannMathematisch-Naturwissenschaftlichen

Gutachter:2.1.Prof.Ph.D.Dr.HellaDr.h.c.LichtenbEddaerg-FKlippraté
SchütteChristofDr.Prof.3.

24.03.2011am:eingereichtTagdermündlichenPrüfung:27.07.2011

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dem

meinen

Eltern

Unterstützung

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enslageebL

sbi

hierher.

Danksagung

AnersterStellemöchteichmichbeiProf.Dr.Dr.h.c.EddaKlippbedanken,für
dieÜberlassungdeshochinteressantenThemas,diewissenschaftlicheBetreuungunddie
wertvollenRatschlägendiesehrzumGelingendieserArbeitbeigetragenhaben.Die
gleichzeitiggroßeFreiheit,dieichwährenddergesamtenZeithatte,ermöglichteesmir
auchweitereinteressanteFragestellungendiesichimRahmendesForschungsprojektes
aufgetanhabenzuverfolgenunddabeineueInteressenundFertigkeitenzugewinnen.

GenausosehrmöchteichauchmeinerZweit-Betreuerin,PDDr.HellaLichten-
berg-Frate´danken,diemichseitmeinemStartimTranslucent-ProjektinvielerleiHin-
sichtunterstütztundgeförderthat.Siewarjederzeitbereitwissenschaft-
licheDiskussionenzuführenundvonihrenkritischenundgleichzeitigäußerstkonstruk-
tivenRatschlägendurfteichviellernen.

DankAllenKausspreolleginnenchen,undadKmitollegenihnenimsowProohljektaufTagungeTRANSLUCENTnundwmöährendchtederichProauchjekttreffenmeinen
alsauchelektronischimmereinoffener,freundlicherundinderSacheweiterführender
Austauschmöglichwar.

BeimeinerFreundinundKolleginMartinaFröhlichmöchteichmichinvielerleiHinsicht
bedanken:diewissenschaftlicheZusammenarbeit,ihreHilfebeiderParameterschätzung
unddieunzähligenzusammenverbrachtenStunden.

IchmöchtemichbeidergesamtenArbeitsgruppeTheoretischeBiophysikfürdiean-
genehmeundkollegialeAtmosphärebedanken.InsbesonderebeiSzymonStomaund
ChristianDienerfürZusammenarbeit,HilfeundguteIdeen,sowieChristianWalter-
mann,dermirfast3Jahrelangdirektgegenübersaß,undzujedemZeitpunktein
humorvollerundgernegesehenerZimmergenossewar.

EinenbesonderswichtigenDankmöchteichandieserStellemeinenElternaussprechen,
diemirinjeglicherHinsichtimStudiumundwährendderZeitderDoktorarbeitRück-
haltgebotenhabenundohnediebeidesnichtmöglichgewesenwäre.

ZumSchlussmöchteichmichnochbeimeinemFreundIlliabedanken,fürRückhalt,
ZuversichtundUnterstützung.

v

vi

Abstract

ThepresentthesiswasconductedinframeoftheEuropeanTRANSLUCENT
projectentitledGeneinteractionnetworksandmodelsofcationhomeostasisinSac-
charomycescerevisiaeattheTheoreticalBiophysicsgroupatHumboldtUniversity
ofBerlinunderthesupervisionofProfessorDr.E.Klipp.
medicalCationicphentoxicitomenayissucrelhevasantforcationicansurfumbeactanrofts,saltqualitativandelyheavydifferenmetaltstrebiologicssinalplanandts
andanumberofpathologicalconditionswhichsharesimilarcriticalmetabolicpro-
cesses(i.e.proteinaggregationandoxidativestress).Inlinewiththeoverallproject
thegoalsresptheectivscienetificassessmenworktconofsptributedecifictoi)genomictheanalysis,promoter-regions,graphicalii)prtheesencontationversion,and
evaluationandgenomewideanalysisofmicro-arrayexperimentsontheeffectsof
expositionofS.cerevisiaetoheavymetals,iii)asimulationenvironmentcompris-
ingmodulesfordigitalization,presentation,analysisandmathematicalmodelingof
thehomeostasisspatio-tempmooraldelingdistributionapproachofbasedonbiologicallytherelevnon-linearantthermomolecules,dynamicsandiv)atheorycation.
Thebioinformaticalworkfocusedonaniterativeprocessinwhichavailableexper-
imentalresultsweretransferredintomeaningfulmodelsorapplicationsandresults
ofmodelingorpredictionintocorrespondingnewexperimentaldesigns.Thesoft-
warespatio-tempfortheoralpromoter-andistributionalysisofandthebiologicallysimrulationelevantenmoleculesvironmentlikforeinlabeledtegrationsignalof
moleculeshavealreadybeenpublishedandsuccessfullyimplemented.Theresults
ofthegenome-wideanalysis-basedonexperimentsofaprojectpartner-provide
tioninsightotsvinariousthe(heaindividualvy)metalsmecinhanismstoxicandconcenstrategietrations.softhTheeyeasttheoreticalcellupboniophexpysicosi-al-
thermodynamicapproachprovidesafundamentalmodelofcationhomeostasisin
S.cerevisiaeofthemajorcations:potassium,sodiumandprotons.Themodel-
confrontedwithexperimentaldata-iscapabletoreproducetheobserveduptake
ratestoareasonabledegree.Perspectivesforfurtherdevelopmentofthemodelare
discussed.

Zusammenfassung

moDiedelsvofcorliegendeationhomeDisostasissertationinSaccwurdeharomzumycesThemacerevisiaeGeneiminteractionRahmendesnetworkseuropäi-and
schenTRANSLUCENTProjektsinderArbeitsgruppeTheoretischeBiophysikan
derHumboldtUniversitätzuBerlinunterAnleitungvonProfessorDr.Dr.h.c.Edda
angefertigt.KlippDietopathologiscxischeherWirkungErscheinvonungen.KationZuendenistvüberantwergreifendenortlichfürZieeinelendesReiheGesambiologisctvorhherabunensd
daraufwurdenalsbasierendwissensceGewichaftlichhetungArbspeitenezifisci)herdiegenomiscAnalyse,hergraphischePromotor-Regionen,Darstellungii)diunde
Verarbeitung,AuswertungundgenomweiteAnalysevonMikro-ArrayExperimenten
überdieAuswirkungverschiedenerSchwermetalleaufS.cerevisiae,iii)Mitarbeitan
einerSimulations-UmgebungmitModulenzurDigitalisierung,Präsentation,Analy-
seMoleküleundsowiemathematisciv)einherMoAnsatzzurdellierungModerdellierungräumlicderhenVerteKationen-HomöilungbiologiscostasehunreletervanVterer-
wendungderTheoriederNichtgleichge-
tenwichtsstandThermodabeiderdynamikiterativbeeigetragen.Prozess,IminVdemordergrundverfügbarederexpbioinformatorerimentelleischenErgebnisseArbei-
inaussagefähigeModelleoderAnwendungenübertragenwurdenunddieResulta-
tederModellierungoderVorhersagewiederuminneueentsprechendeExperimente
mumgesetztulationsumgebungwurden.DiezurAnwräumlichenVendungsumgebungerteilungzurbiologischPromotoranalyserelevantersowieMolekülediewieSi-
zumeingesetzt.BeispielDieErmarkiertegebnissederSignalmolekülegenomweitenwurdebAnalyseereitsvlieferneröffenErktlichenntundtnisseüberfolgreicerdihe
toxiscindividuellenherKonzenMectrationhanismenzuundreagieren.StrategienderHefeaufverschiedeneMetallionenin
Dertheoretischebiophysikalisch-thermodynamischeAnsatzlieferteinfundamenta-
lesModellderKationen-HomöostasederzahlenmäßigbedeutendstenKationen:Ka-
undlium,konnteNatriumdieseundreproduziProtonen.eren.DasEnMotsprecdellhendewurPdeerspaneexpktivenerimenfürdietellenWDateneiterentwicgetestk-
lungdesModellswerdendiskutiert.

vii

olsSymbofList

AcidmDFGJiJi,eqJqJSJchKkLijniPipQqvRSSdiSdessvTtU

Affinityofachemicalreaction
Molarconcentrationofcomponenti
Thicknessofthemembrane
DiffusioncoefficientuiRT
Faradayconstant,9.6485∙104coulombs/mol
energyfreeGibbsAbsoluteflowofcomponentiinmolesperunitareaperunittime
Flowofcomponentiunderequilibriumconditions(X=0)
heatofwFloFlowofentropy
Rateofchemicalreactionperunitflow
Equilibriumconstantforachemicalreaction
Boltzmannconstant,1.3806504∙10−23J/K
Phenomenologicalcoefficientrelatingtheithflowtothejthforce
Numberofmolesofcomponenti
Permeabilitycoefficientofcomponenti
PressureHeatHeatinasmallsubvolume
Gasconstant,8.314472molJ∙K
ytropEnEntropyproducedwithinasystem
Entropyexchangedwiththeenvironmentofasystem
Entropyofasmallsubvolume
Localentropyperunitvolume
eraturetempAbsoluteTimeenergyternalIn

ix

uuvuiVvviziWXiαiβiηiµiµ0ϕσΦψωi

Energyofasmallsubvolume
Localinternalenergyperunitvolume
Mobilityofanioni
olumeVolumevSubycitelovReactionValenceofachargesionsi
orkWThermodynamicforceactingoncomponenti
Deviationoftheithparameterofasystemfromitsequilibriumvalue
tefficiencoartitionPElectrochemicalpotentialofcomponenti
Chemicalpotentialofcomponenti
Standardchemicalpotentialofcomponenti
tialotenpElectricEntropyproductiondensity
functiondissipationcalLoLocalelectricpotential
Mobilityofcomponenti

Abbreviationsandacronyms
triphosphatedenosinATPApbcProtonbuffercapacity
FCSFluorescenceCorrelationSpectroscopy
FLIMFluorescencelifetimeimagingmicroscopy
proteintFluorescenFPproteintfluorescenGreenGFPterfaceinuserGraphicalGUItrationconceninhibitoryMinimalMICMIFEMicroelectrodeionfluxmeasuring
mesholygonalPPMfactorriptionranscTTFTFbsTranscriptionfactorbindingsite
STSESpatioTemporalSimulationEnvironment
eypTWildWT

x

Inordertodiscriminateconsistentlybetweengenenamesandtheassociatedgene-products
thefollowingnotationwillbeused:

•

•

•

namesGeneletters.

Protein

tMutan

names

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(e.g.

(e.g.

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TRK1,2,ENA1,BMH1,2,TOK,ENA1...)arewrittenincapital

Trk1,2,Ena1,Bmh1,2,Tok,Ena1,....)startwithacapitalletter.

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