Datenbasierte integrative Modellierung des photorespiratorischen Metabolismus

• Antragsteller: Professor Dr. Zoran Nikoloski, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Pflanzenphysiologie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246607488

Metabolische Prozesse der Photorespiration und Photosynthese laufen simultan ab und beeinflussen das Zusammenspiel von Kohlenstoff- und Stickstoffassimilation, welches sich im Pflanzenwachstum widerspiegelt. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass der photorespiratorische Metabolismus nicht nur einen weitreichenden Einfluss auf andere Stoffwechselwege hat, sondern sich auch auf eine Reihe von Signalkaskaden auswirkt. Somit bieten akkurate, quantitative Photorespirationsmodelle die Möglichkeit Vorhersagen zu treffen und in silico die Reaktion der Pflanze auf verschiedenen Systemebenen zu untersuchen. Wir verfolgen in diesem Projekt drei Zielstellungen. Zuerst sollen strukturelle und kinetische Modelle der Photorespiration aufgestellt werden um in silico die Auswirkungen des photorespiratorischen Metabolismus unter verschiedenen Umweltbedingungen auf genomweite metabolische Netzwerke von C3-Pflanzen zu untersuchen. Zweitens werden Transkriptom- und Metabolomdaten aus Hochdurchsatz-experimenten mit Wildtyp-Pflanzen und Mutanten in diese Modelle integriert. Dies ermöglicht die Identifikation von Schlüsselkomponenten eines Stoffwechselweges und die Charakterisierung des metabolischen Zustandes der Zelle, der sich durch Reaktionsflüsse und Metabolitlevel definiert. Zur Bestimmung der Reaktionsflüsse und Metabolitfluktuationen, erfolgt die Integration der Daten und Modelle mit Hilfe von constraint-basierten Methoden. Des Weiteren ermöglichen diese Methoden die Betrachtung des photorespiratorischen Metabolismus im Kontext der eng miteinander verknüpften Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismen. Drittens sollen mit Hilfe der erstellten Modelle Strategien des Metabolic Engineerings zur Steigerung der Biomasseproduktion in silico entwickelt und analysiert werden. Die Verbindung der erstellten Modelle mit Hochdurchsatzdaten in dem hier vorgestellten Rahmenkonzept erlaubt uns sich die immer noch kontrovers diskutierte Rolle der Photorespiration im Zusammenhang mit Wachstum und Ertrag der Pflanzen zu beurteilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen