Glykolyse: Thermodynamik und Vorhersagen von Stoffwechselwegen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held; Privatdozent Dr. Thomas Maskow; Professor Dr. Sergey Verevkin
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316870850

Die Anwendung von Thermodynamik mit publizierten Modellen erlaubt bislang noch keine zufriedenstellende Vorhersage von biochemischen Stoffwechselwegen. Dies ist u.a. darin begründet, dass Basisdaten nicht publiziert oder nur sehr ungenau von beispielsweise Gruppenbeitragsmethoden abgeschätzt werden können. Diese Basisdaten umfassen reine Metabolite aber auch Reaktionsgleichgewichte. Letztere hängen von einer Vielzahl an Parametern (z.B. pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung des Reaktionsmediums) ab. Diese Daten gehen in rigorose Modelle ein, die Stoffwechselwege mathematisch abbilden. Um diese Modelle prädiktiver zu machen, muss einerseits die Thermodynamik der reinen Metabolite als auch der Reaktionsgleichgewichte hochgenau verfügbar sein. Andererseits müssen auch Effekte des molekularen Crowding berücksichtigt werden, um metabolische Netzwerke besser vorhersagen zu können. Wären thermodynamische Daten sowie Reaktionsdaten zur Nutzung eines mathematischen Modelles für die Beschreibung metabolischer Netzwerke verfügbar, könnten Netzwerke besser quantitativ vorhergesagt werden, ähnlich wie es bei Systemen vergleichbarer Komplexität (z.B. Erdölraffinerien) bereits möglich ist.Dieses Projekt zielt darauf ab, neue thermodynamische Werkzeuge zur quantitativen Bestimmung von Eigenschaften reiner Metabolite und Reaktionsgleichgewichten zu nutzen, um die Thermodynamik metabolischer Netzwerke vorherzusagen. Das erfolgt am Beispiel der Glykolyse, da speziell diese thermodynamisch noch nicht verstanden ist. Dabei werden zwar in-vitro Untersuchungen durchgeführt, die aber so gut wie möglich versuchen, die Bedingungen in einer realen Zelle (Speziesdiversität, makromolekulare Crowder etc.) abzubilden. Damit soll die Thermodynamik für Systembiologen besser anwendbar gemacht und ihr Potenzial ausgelotet werden.Nach dem ersten Schritt (neue Basisdaten) wird zunächst der Einfluss realer Bedingungen (pH-Wert, Zusammensetzung des Zytoplasmas) auf diese Daten wird gezielt untersucht. Anschließend werden die Einflüsse von biotypischen Phänomenen (Speziesdiversität, Crowding) auf Thermodynamik und Stoffflussberechnungen untersucht. Hierbei wird sich zeigen, wie konsistente thermodynamische Daten die Vorhersagekraft zur Berechnung von metabolischen Netzwerken verbessern können. Dazu werden neue Daten genutzt, die um eine Größenordnung genauer sind, als die bisher verfügbaren.Um das Ziel zu erreichen, müssen Thermochemie, Quantenchemie und Thermodynamik mit Stofffluss-Analysemethoden wie folgt kombiniert werden:- Verevkin: Bestimmung und Vorhersage von Basisdaten der reinen Metabolite- Held: Bestimmung und Vorhersage der Reaktionsgleichgewichte der einzelnen Reaktionsschritte und unter Einfluss realer Zellbedingungen- Maskow: Anwendung dieser Daten auf vereinfachte und reale metabolische Netzwerke unter Nicht-GleichgewichtsbedigungenDie erzielten Projektergebnisse werden in der Bioverfahrenstechnik (Bioingenieurwesen, Systembiologie) Anwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen