Chemical organizations in natural reaction networks [Elektronische Ressource] / von Florian Centler

Sujets

• Biologie

Informations

• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Chemical Organizations in Natural
Reaction Networks
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum
naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt dem Rat der Fakult¨at fur¨
Mathematik und Informatik der Friedrich-Schiller-Universit¨at Jena
von Dipl.-Systemwiss. Florian Centler,
geboren am 14.11.1975 in DortmundGutachter:
1. PD Dr. Peter Dittrich
2. Prof. Dr. Stefan Schuster
3. Ao. Univ. Prof. Dr. Christoph Flamm
Tag der letzten Prufung¨ des Rigorosums: 11.09.2008
Tag der ¨offentlichen Verteidigung: 15.09.2008To my loving parents.Acknowledgements
This thesis owes its existence to the help and support of numerous
people. Foremost, I am deeply indebted to my supervisor
Peter Dittrich.
I am grateful to:
Clemens Beckstein,
Christoph Flamm,
Gerd Grunert¨ ,
Christoph Kaleta,
Ralph Lehmann,
Naoki Matsumaru,
Hari Nair,
Stefan Schuster,
Pietro Speroni di Fenizio, and
Klaus-Peter Zauner.Abstract
A living cell consists of a tremendous number of components that
interact in complicated ways sustaining the processes of life. Knowl-
edge of the inner workings of such systems is commonly portrayed
as networks on different levels: gene regulatory networks, metabolic
networks, and signal transduction networks. With the advent of the
new field “systems biology”, whole cell models come into reach that
integrate these different networks and further cellular processes.
Inthisthesis,thetheoryofchemicalorganizations,whichhasrecently
been developed by Dittrich and Speroni di Fenizio (2007) extending
ideas from Fontana and Buss (1994), is applied to biochemical reac-
tion network models as a novel analysis technique that can deal with
such integrated whole cell models. As kinetic data is not required for
the analysis, the method is well suited for biological systems where
such data is often scarce and hard to come by. The reaction network
model is decomposed into subnetworks that are algebraically closed
and self-maintaining. Being algebraically closed, such subnetworks
cannot produce any novel species that are not yet part of the subnet-
work. As they are self-maintaining, all species that are consumed are
produced within the subnetwork at sufficient rates for their mainte-
nance. These two properties make such subnetworks, termed organi-
zations, likely to persist in time. They embody all potential steady
state and growth state species combinations of the model. The dy-
namics of the system in state space can be mapped into the space of
organizations, providing a new perspective on the system.
Applying the method to an atmospheric reaction network model
of Mars, a model of bacteriophage lambda, and models of Es-
cherichia coli of varying sizes shows that these natural reactionnetworks contain non-trivial organization hierarchies. Organizations
are often found to be related to biological functions and states. The
method is proven to be a useful tool in the analysis and validation
of biochemical reaction network models and the prediction of their
potential dynamic behavior.Deutsche Zusammenfassung
Eine lebende Zelle besteht aus einer sehr großen Anzahl von Kom-
ponenten, die in vielf¨altiger Art und Weise miteinander interagieren
und damit die Prozesse des Lebens aufrecht erhalten. Erkennt-
nisse ub¨ er die inneren Wirkungszusammenh¨ange solcher Systeme
werden gew¨ohnlich in Netzwerkmodellen auf verschiedenen Ebe-
nen dargestellt: Genregulationsnetzwerke, metabolische Netzwerke
und Signaltransduktionsnetzwerke. Mit dem Entstehen der neuen
Forschungsrichtung “Systembiologie” werden ganzheitliche Modelle
denkbar, die diese verschiedenen Netzwerkmodelle und weitere zel-
lul¨are Prozesse integrieren.
In dieser Arbeit wird die kurzlic¨ h von Dittrich und Speroni di
Fenizio (2007), aufbauend auf Ideen von Fontana und Buss (1994)
entwickelte Theorie chemischer Organisationen als neue Analyseme-
thode, die mit solchen ganzheitlichen Modellen zurecht kommt, auf
verschiedene biochemische Reaktionsnetzwerkmodelle angewandt.
Kinetische Informationen sind fur¨ die Analyse nicht notwendig.
Dadurch ist die Methode gut fur¨ biologische Systeme geeignet, wo
kinetische Details selten bekannt und schwer zu beschaffen sind. Das
Reaktionsnetzwerkmodell wird in Teilnetze zerlegt, die algebraisch
abgeschlossen und selbsterhaltend sind. Abgeschlossenheit bedeutet,
dass das Teilnetz nicht in der Lage ist neue Spezies zu produzieren,
die nicht bereits zum Teilnetz geh¨oren. Aufgrund der Selbsterhal-
tung werden alle Spezies, die verbraucht werden, von dem Teilnetz
in hinreichend hohen Raten fur¨ ihre Erhaltung produziert. Diese
beiden Eigenschaften erlauben solchen Teilnetzen, genannt Organi-
sationen, ub¨ er die Zeit bestehen bleiben zu k¨onnen. Sie stellen alle
potentiellen Kombinationen von Spezies in Fließgleichgewichten und
Wachstumszust¨anden dar. Die Dynamik im Zustandsraum kann in
den Raum der Organisationen abgebildet werden, wodurch eine neue
Perspektive auf das System erm¨oglicht wird.Bei der Anwendung der Methode auf ein Reaktionsnetzwerkmodell
der Marsatmosph¨are, auf ein Modell der Bakteriophage Lambda und
auf verschieden große Modelle von Escherichia coli zeigt sich, dass
diese naturlic¨ hen Reaktionsnetzwerke nichttriviale Organisationshier-
archien besitzen. In vielen F¨allen entsprechen Organisationen biol-
ogischen Funktionen und Zust¨anden. Es zeigt sich, dass die Meth-
ode ein hilfreiches Werkzeug fur¨ die Analyse und Validierung von
biochemischen Reaktionsnetzwerkmodellen und die Vorhersage ihrer
potentiellen Dynamik ist.