Universität zu Köln

Modellierung stationärer Zustände von metabolischen Netzwerken: Methoden, Anwendungen, Thermodynamik

Hartmann, Kai (2006) Modellierung stationärer Zustände von metabolischen Netzwerken: Methoden, Anwendungen, Thermodynamik. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Eines der ehrgeizigsten Ziele theoretischer biochemischer Forschung ist die Simulation einer kompletten Zelle. Mit der Aussicht, durch die Metabolom-, Proteom- und weitere systemische Analysen in naher Zukunft umfassende und quantitative Informationen über den Zustand der Zelle zu erhalten, hat dieser Forschungszweig deutlichen Auftrieb bekommen. Für die möglich werdende Integration von laborpraktischem und Computerexperiment auf diese Weise ist ein neues Wort geprägt worden: Systembiologie. Es existieren viele Ansätze, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der kinetischen Simulation von metabolischen Netzwerken. Das Erreichen eines Fließgleichgewichtszustandes stand dabei im Vordergrund. Dazu wurde die Eignung verschiedener Methoden evaluiert: die Integration von Differentialgleichungen, die Simulation farbiger Petrinetze und die Lösung algebraischer Gleichungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Integration von Differentialgleichungen die am besten geeignete Methode für große Netzwerke ist. Bezogen auf die Modellformulierung konnten Erfolge bei der Unterstützung der Netzwerkrekonstruktion und bei der Einarbeitung von thermodynamischen Parametern erzielt werden. Bei der Simulation der Modelle wurde besonderer Wert auf die Behandlung und Identifikation der Systemgrenzen und ihren Einfluss auf die Simulationsergebnisse gelegt. Es wurden Modelle der Glykolyse, des Citratcyclus und des Zentralstoffwechsels von Corynebacterium glutamicum mit allen Zu- und Abflüssen, die für das Wachstum der Zelle relevant sind, simuliert.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The simulation of a complete cell is one of the most ambitious aims of theoretical biochemical research. With the advent of Metabolomics, Proteomics and other �Omics� methods and the chance to get comprehensive and quantitative information about the state of the cell, this research field is booming. A new buzzword has been coined for the integration of practical and in silico experiments in this manner: Systems Biology. There are many approaches to achieve this goal. This work deals with the kinetic simulation of metabolic networks, where reaching a steady state is one of the main aspects. Three methods have been evaluated for this: the integration of systems of differential equations, coloured Petri nets and solving algebraic equations. We were able to show that the integration of differential equations is the best method for large networks. In the process of model-creation we made progress in supporting the network reconstruction process and in the incorporation of thermodynamical parameters into models. Regarding the simulation of models, we have focused on how to identify and deal with the borders of the modeled system and the influence of the borders on the simulation results. Models have been constructed and simulated for the glycolysis, the Krebs cycle and the central carbon metabolism of Corynebacterium glutamicum including all incoming and outgoing fluxes that are necessary for the growth of the organism.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Hartmann, KaiKai.Hartmann@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-22489
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Metabolische Netzwerke , Thermodynamik , Stationärer Zustand , SystembiologieGerman
    Metabolic Networks , Thermodynamics , Steady State , Systems BiologyEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: German
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 11 February 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Feb 2008 11:15:56
    Referee
    NameAcademic Title
    Schomburg, DietmarProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2248

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