Universität zu Köln

Uniting In Silico and In Vivo Systems Biology: a New Concept to Approximate Theory to Real-Life Flux Distributions

Fallisch, Thorsten (2006) Uniting In Silico and In Vivo Systems Biology: a New Concept to Approximate Theory to Real-Life Flux Distributions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Within the last years, bioinformatics expanded from its focus on protein related research to the investigation of whole organisms. Up to date, a variety of bacteria has been modeled, in most detail Escherichia coli. As a systemic approach, flux balance analysis (FBA) has established itself in the scientific community to analyze steady state flux distributions. Within FBA the metabolic network is expressed in terms of a matrix, called the stoichiometric matrix. The assumption of the system to exist in a (temporary) steady state leads to a homogeneous linear system of equations, which is typically underdetermined. By application of an objective function and computation of the linear program that unfolds, one can select one discrete solution out of the existing solution space. In this work, we built a genome based model of the Corynebacterium glutamicum and analyzed it in terms of flux balance analysis. We implemented an enhancement of FBA, called energy balance analysis, that considers thermodynamical issues. We further used metabolic profiling data to impose more constraints on the analyses. By comparing the organism under different environmental conditions, we were able to neglect unknown kinetic constants and to establish new requirements during the energy balance analysis. Namely, we used data derived by raising the C. glutamicum on acetate or glucose. This procedure leads to a further reduction of the solution space and thereby helps to close the gap between predictions and real-life flux distributions. The comprehensive nature of the technique enables it to be applied to any model and to be combined with any other enhancement of the flux balance analysis.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In den letzten Jahren expandierte das Feld der Bioinformatik von seinem bisherigen Fokus der proteinverwandten Themen zur Untersuchung ganzer, zellulärer Organismen. Mittlerweile wurde eine ganze Zahl von Bakterien modelliert, wobei das am detailliertesten untersuchte mit Sicherheit Escherichia coli ist. Als systemische Untersuchungsmethode hat sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft die sogenannte Flux Balance Analysis (FBA) etabliert. Darin wird das zu untersuchende, metabolische Netzwerk als Matrix dargestellt, die �stöchiometrische Matrix�. Unter der Annahme dass System befände sich in einem (temporären) Fließgleichgewicht erhält man ein homogenes lineares Gleichungssystem, welches typischerweise unterbestimmt ist. Eine Zielfunktion wird ausgewählt und das entstehende lineare Program gelöst. Als Ergebnis kann so eine diskrete Lösung aus dem Lösungsraum ausgewählt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein genombasiertes Modell des Corynebacterium glutamicum erstellt und mit Hilfe der FBA analysiert. Wir haben eine Verbesserung der Flux Balance Analysis implementiert, welche auch thermodynamische Aspekte in Betracht zieht, die Energy Balance Analysis (EBA). Weiterhin verwendeten wir Daten aus Metabolic-Profiling Experimenten, um den Analysen nach EBA zusätzliche Beschränkungen aufzuerlegen. Der Vergleich des Organismus unter verschiedenen Umweltbedingungen ermöglicht es, unbekannte kinetische Konstanten zu eliminieren und neue Anforderungen während der Energy Balance Analysis zu stellen. Die notwendigen Daten wurden durch Aufzucht des Bakteriums auf Glukose oder Acetat gewonnen. Die Methodik führt zu einer weiteren Verkleinerung des Lösungsraumes und hilft auf diese Weise die Lücke zwischen Theorie und echtem Leben zu schließen. Die übergeordnete Natur der entwickelten Technik ermöglicht deren Anwendung mit jedem Modell und deren Kombination mit allen weiteren, möglichen Verbesserungen der Flux Balance Analysis.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Fallisch, ThorstenThorsten.Fallisch@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-18471
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Bioinformatik , Systembiologie , Corynebacterium glutamicum , FlußanalyseGerman
    Bioinformatics , Systems Biology , FBA , Corynebacterium glutamicumEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: English
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 20 April 2006
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 20 Sep 2006 14:24:23
    Referee
    NameAcademic Title
    Schomburg, DietmarProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1847

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