07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/8
Browse
1 results
Search Results
Item Open Access Die bakterielle Signalverarbeitung am Beispiel des Sucrose Phosphotransferasesystems in Escherichia coli : Modellierung und experimentelle Überprüfung(2004) Sauter, Thomas; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die bakterielle Signalverarbeitung wurde am Beispiel des Sucrose Phosphotransferasesystems (Sucrose PTS) im Bakterium Escherichia coli untersucht. Die etwa 20 verschiedenen Phosphotransferasesysteme (PTSs) der Zelle erfüllen neben dem Transport zahlreicher Kohlenhydrate auch die Funktion eines signalverarbeitenden Systems. Extra- und intrazelluläre Signale werden in der aus vier Proteinen bestehenden Kette in wichtige regulatorische Signale umgesetzt, die vor allem in den Kohlenstoffmetabolismus und die Chemotaxis eingreifen. Zur Beschreibung sowohl der Tranport-, als auch der Signalverarbeitungsfunktion, wurde ein detailliertes dynamisches mathematisches Modell des Sucrose PTS entwickelt. Es wurde hierzu eine detaillierte Beschreibung der Komplexbildung und des Phosphoryltransfers zwischen den einzelnen Proteinen der Proteinkette verwendet. Die Parameter des Modells konnten aus der Literatur entnommen, beziehungsweise aus eigenen Messungen identifiziert werden. Unter Verwendung eines formalen Algorithmus mit Clusteranalyse konnten das PTS und die Glykolyse als biologische Funktionseinheiten mit begrenzter Autonomie identifiziert werden. Simulationsstudien gestützt von experimentellen Beobachtungen zeigten, dass sich das dynamische Verhalten des Phosphoryltransfers innerhalb des PTS im Bereich einer Sekunde abspielt, sodass für eine ganzheitlichere Betrachtung der regulatorischen Funktion des PTS im metabolischen Netzwerk stationäre Kennlinien ausreichend sind. Es wurde ein Kennlinienfeld zur Beschreibung der Abhängigkeit des Phosphorylierungsgrad des PTS-Proteins EIIACrr von den Eingangsgrößen extrazelluläre Sucrosekonzentration und intrazelluläres PEP:Pyruvat-Verhältnis verwendet. Zur Überprüfung des Modells wurden Fermentationsexperimente unter Verwendung eines Sucrose-positiven Escherichia coli W3110-Derivats durchgeführt. Es wurde hierzu eine Methode zur Bestimmung intrazellulärer Metabolitkonzentrationen entwickelt, bei der ein kochendes Ethanol-Puffer-Gemisch verwendet wird. Des Weiteren wurde der Phosphorylierungsgrad des Proteins EIIACrr als PTS-Ausgangsgröße gemessen. Im Rahmen der durchgeführten Experimente wurden sowohl stationäre Bedingungen bei verschiedenen Verdünnungsraten und Gelöstsauerstoffkonzentrationen, als auch dynamische Veränderungen mittels verschiedener Anregungen über die extrazelluläre Sucrosekonzentration betrachtet. Es wurden hierzu Puls-, Sprung- und Fütterungsstop-Experimente durchgeführt. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulationsergebnissen erwies sich nach Parameteranpassung als gut. Gleiches gilt auch für ein erweitertes Modell, das die Glykolyse mit einschließt.