Metabolic Modelling: Vergleichende Regulationsanalyse der Sterolbiosynthese
Final Report Abstract
Im Projekt wurde die Sterolbiosynthese vom Squalen zum Endprodukt Ergosterol bei Hefe bzw. Cholesterol bei humanen Zellen als essenfieller Modul des Metabolismus eukaryotischer Zellen untersucht Ziel war die Identifikation regulatorischer Wechselwirkungen anhand von Perturbafionen des Metabolismus und der daraus resultierenden Systemantwort der Zellen ("sfimulus response"). Bei Hefe enwies sich das Umschalten von anaeroben auf aerobe Kultivierungsbedingungen (Switch), bei humanen Zellen die Sterol- ab- bzw. anreicherung mittels Cyclodextrinen als geeignete Maßnahme. Die für Hefe hier erstmalig durchgeführte Beobachtung der Dynamik des Metaboloms nach dem Switch zeigte die unenwartete Anreicherung eines veresterten Intermediats der Ergosterolbiosynthese, dem Zymosterolester. Über weitere Experimente, bei welchen durch Supplementierung von Sterolintermediaten die Stoffflüsse nach dem Switch beeinfiusst werden konnten, entstand die Hypothese der reg ul ato ri sehen Bedeutung des Zymosterolesterpools. Das daraus abgeleitete mathematische Modell für die post-squalen Ergosterolbiosynthese kann anhand von fünf Schlüsselsubstanzen und den entsprechenden kinetischen Ansätzen die Experimente beschreiben. Neben den Interaktionen innerhalb des Moduls "post-squalen Sterolbiosynthese" wurde auch die Kopplung dieses Moduls an den Gesamtmetabolismus untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß die Konzentrationen von Fettsäuren, die als Reaktionspartner der Sterolveresterung benötigt werden, unter den voriiegenden Versuchsbedingungen nicht limitierend sind. Es ist daher nicht notwendig, das Modell um die Verfügbarkeit von Fettsäuren zu erweitern. Als Kompromiss zwischen den ganzheitiichen Ansätzen der Systembiologie und den bausteinorientierten Ansätzen der synthetischen Biologie konnte also erfolgreich ein Modul im Metabolismus definiert und dessen "interne" Regulafion und seine Kopplung an den gesamten Stoffwechsel aus "stimulus response" Experimenten quantifiziert werden. Aus diesen Ergebnissen könnte zukünftig eine dynamische Prozessführung der industriellen Sterolprodukfion zur Erhöhung der Ausbeuten abgeleitet werden.
Publications
- Götz, P. (2007) "Dynamik der Biosynthese von Sterolen" Vortrag, 66. Kolloquium des SFB 578 an derTU Braunschweig, 2. Mai 2007
- Maczek, J., Goetz. P. (2008): "Model approaches for describing kinetics in the ergosterol pathway of yeast" Vortrag, GVC/DECHEMA Tagung Modellierung: "Von der Zelle zum Prozess", 28. - 30. April 2008, Bremen
- Maczek, J., Junne, S., Goetz, P. (2007) "Metabolic flux analysis ofthe sterol pathway in yeast" Vortrag, European BioPerspectives, 30. Mai - 1 . Juni 2007, Köln
- Maczek, J., Junne, S., Nowak, P., Goetz, P. (2006): "Metabolie flux analysis of the sterol pathway in the yeast Saccharomyces cerevisiae" Bioprocess Biosyst. Eng. (2006), 29:241-252
