Vergleichende Genomanalyse und mathematische Modellierung von Pathogenitäts- und Regulationenmechanismen bei Bakterien

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung bioinformatischer Methoden und mathematischer Modellierung in der Mikrobiologie. Sie ist in drei Teile gegliedert. Der erste Teil handelt von der Lokalisation von Transposons. Mittels Analyse von Transposoninsertionen in Genomen können Genfunktionen bestimmt werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus mit dem Namen InFiRe lokalisiert Transposoninsertionen innerhalb von Prokaryotengenomen über individuelle Verteilungen von Restriktionsenzymschnittstellen. Nach mehreren Restriktionsreaktionen, anschließender Southern-Blot-Hybridisierungen und InFiRe kann einer Transposoninsertion eine Positionen innerhalb des Genoms zugeordnet werden. Durch InFiRe kann eine schnelle und günstige Lokalisierung der Transposons innerhalb von Genomen erfolgen, auch unter für frühere Techniken problematischen Bedingungen. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Genregulation untersucht. Mittels solcher Regulation können sich Bakterien an wechselnde Bedingungen anpassen. Diese Regulationen können durch Modellierung von Differentialgleichungen mathematisch dargestellt, analysiert und ausgewertet werden. Innerhalb dieser Arbeit wird eine Feedforward-Schleife (FFL) mit basal exprimierten Regulator modelliert. Die basale Produktion dieses Regulators kostet Energie. Mittels einer Kosten-Nutzen-Optimierung wird diese Regulation unter wechselnden Bedingungen analysiert. Diese Regulation kann z.B. in Pseudomonas aeruginosa in der anaeroben Anpassung beobachtet werden. Durch die Modellierung der FFL kann das Verhalten von P. aeruginosa bei wechselnden Sauerstoffbedingungen analysiert werden. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung einer Feedback-Schleife (FBL). Diese Regulation findet man in der Initialisierung einer Infektion von Yersinia pseudotuberculosis, welche durch den globalen Virulenzregulator RovA gesteuert wird. RovA wird durch eine positive und eine negative FBL autoreguliert. Diese Regulation ist eines der ersten Beispiele für temperaturabhängige Bistabilität in Bakterien und ist angepasst auf den Bereich zwischen Umgebungs- und Wirtstemperatur. Das in dieser Arbeit aufgestellte Modell wurde mit Experimenten verifiziert und validiert. Die Bistabilität, das zeitliche Verhalten der Regulation und der Einfluss der negativen FBL sind untersucht worden.