Metabolische Modellierung thermophiler Prokaryoten

In der Systembiologie werden durch die mathematische Modellierung unterschiedlichster molekularer Prozesse neue Erkenntnisse über biologische Netzwerke gewonnen. So kann durch die Rekonstruktion genomweiter metabolischer Modelle der Stoffwechsel von Organismen bioinformatisch analysiert werden. Hochinteressant für biotechnologische Fragestellungen ist dabei besonders der Stoffwechsel thermophiler Prokaryoten, für die allerdings nur eine sehr geringe Anzahl genomweiter metabolischer Modelle existiert. In dieser Arbeit wurden zwei Ziele verfolgt. Zum Einen sollten etablierte Softwarepakete für die metabolische Modellierung zu einer Modellierungsplattform zusammengefügt werden. Zum Anderen sollten verfügbare metabolische Modelle thermophiler Prokaryoten erweitert und der Kohlenhydratstoffwechsel dieser Organismen erstmals für viele verschiedene Kohlenstoffquellen detailliert charakterisiert werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Modellierungsplattform unterstützt die automatisierte Durchführung und Analyse einer großen Anzahl an Simulationen und ermöglicht erstmals die vollständig datenbankbasierte Verwaltung und Analyse metabolischer Modelle. Neben einer Anzahl etablierter mathematischer Methoden werden auch neue graphische Analysemethoden wie die elementzentrische Analyse von Modellflüssen zur Verfügung gestellt. Die metabolischen Modelle der thermophilen Prokaryoten T. thermophilus HB27 und S. solfataricus P2 konnten in dieser Arbeit in Umfang und Qualität deutlich erweitert werden, sodass sie nun als die umfangreichsten genomweiten metabolischen Modelle thermophiler Prokaryoten gelten. Am Beispiel des Modells von T. thermophilus wurde gezeigt, dass die elementzentrische Analyse von vorhergesagten Kohlenstoffflüssen sehr gut mit experimentellen 13 C-Analysen übereinstimmt. Die temperaturabhängigen Parameter in diesem Modell führen außerdem zu besseren Vorhersagen für unterschiedliche Wachstumstemperaturen. Die Analyse des Modells von S. solfataricus zeigte, dass der Organismus einige alternative Stoffwechselwege zur Fixierung von CO2 und der Regeneration von Reduktionsäquivalenten besitzt. Das Modell konnte zudem dazu beitragen, die Abbauwege von L-Fucose und verschiedenen Aminosäuren im Organismus aufzuklären. S. solfataricus nutzt dabei bemerkenswerterweise oft identische Enzyme für den Abbau mehrerer Substrate.