Investigations on the application of complex cell models in the simulation of bioprocesses

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Datenintegration und Visualisierung metabolischer Netze

In the present thesis, a holistic system of applications has been developed which allows the user to visualize, edit and analyze metabolic networks. The pathway editor MapOmnia is one application of this system, which allows the visualization and manipulation of metabolic networks. To give an intuitive handling, the application supports application-typical functions such as "drag and drop" and "copy and paste". It provides numerous layout functions and supports many different file formats for data exchange. An implemented database-interface allows access to information on enzymes and metabolic pathways of BRENDA. Thus a graphical interface to the enzymes, reactions, metabolites of BRENDA was created. The presentation is fast, even for large networks. This thesis presents concepts and methods in order to enable users to work flexibly and intuitively with metabolic networks and to analyze them. A key goal of this thesis is, to map data from the omik-sub-disciplines onto generated interaction networks. The implementation of a modeling tool allows the user to easily generate new networks from established knowledge. Users gain a deeper understanding of biochemical processes by using implemented analysis methods, such as "Shortest Path" calculations. A scripting interface also allows the interactive analysis of networks. Methods of the program can be used within scripts at run time, for example, to automate tasks, to perform queries and to create networks. An interface was established by providing a TCP/IP-server which can access the versatile functions of MapOmnia. This concept allows the implementation of BRIME website that offers an intuitive approach to metabolic networks from BRENDA. This web application provides an integrated search functionality to search substances, enzymes and total- and partial-reactions. The user can map metabolic or other "-ome" data to the generic overall map, but also the network-based visualization of flow data is supported.In der vorliegenden Dissertation wurde ein System von Applikationen entwickelt, mit dem der Anwender metabolische Netzwerke visualisieren, editieren und analysieren kann. Hierzu zählt der Pathway-Editor MapOmnia, der die Visualisierung und Bearbeitung von metabolischen Netzwerken erlaubt. Die Applikation unterstützt anwendungstypische Funktionen wie „Drag And Drop“ und „Copy And Paste“, hat zahlreiche Ausrichtungs-Funktionen implementiert und unterstützt verschiedene Dateiformate für den Datenaustausch. Eine Schnittstelle erlaubt es, auf Informationen zu Enzymen und Stoffwechselwegen von BRENDA zuzugreifen und MapOmnia bietet somit ein grafisches Interface zu Enzymen, Reaktionen und Metaboliten von BRENDA. Die Darstellung ist auch bei großen Netzwerken performant. Die Dissertation stellt Konzepte und Methoden vor, um flexibel und intuitiv mit metabolischen Netzwerken zu arbeiten und diese zu analysieren. Daten aus den omik-Teildisziplinen können auf Netzwerke abgebildet werden. Ein Modellierungswerkzeug erlaubt es, neue Netzwerke aus etabliertem Wissen zu erstellen. Anwender erlangen ein tiefergehendes Verständnis biochemischer Vorgänge durch implementierte Analysemethoden, wie etwa kürzeste Wege Berechnungen. Eine Skript-Schnittstelle ermöglicht es, Methoden des Programms zur Laufzeit zu nutzen, um z.B. Aufgaben zu automatisieren, Abfragen durchzuführen oder Netzwerke zu erstellen. Durch Bereitstellung eines TCP/IP-Servers wurde eine Schnittstelle etabliert, welche auf die Funktionen von MapOmnia zugreifen kann. Die Schnittstelle erlaubt die Umsetzung der Webpräsenz BRIME, die einen intuitiven Zugang zu metabolischen Netzwerken aus BRENDA bietet. Die Webapplikation stellt die Suche von Substanzen, Enzymen sowie gesamter Reaktionen und Teilreaktionen bereit. Der Anwender kann „–ome“ Daten auf die eine Gesamtstoffwechselkarte abbilden, aber auch die Visualisierung von Flussdaten wird unterstützt

Das kulturhistorische Paradigma: Eine Anleitung zum Bau konsistenter Theorien der Innovationsfähigkeit

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euphorie digital? Aspekte der Wissensvermittlung in Kunst, Kultur und Technologie

Mit atemberaubender Geschwindigkeit erobern die neuen Technologien auch das Arbeitsfeld Museum: Multimedia in der Ausstellungsgestaltung, CD-ROM, Datenbanken, Netzwerke und das Internet setzen einen neuen Informations- und Kommunikationsstandard. Die Autoren des vorliegenden Bandes setzen sich vor dem Hintergrund ihrer praktischen Erfahrung mit einer Vielzahl von relevanten Fragen zu diesem Thema auseinander und tragen hierdurch dazu bei, dass Mitarbeiter von Museen und anderen Kultur-Einrichtungen die Möglichkeiten und Grenzen der digitalen Medien bei ihrer Arbeit in Zukunft realistisch einschätzen können

Extraktion von regelbasiertem Wissen aus Genexpressionsdaten und dessen Validierung

Mit dem Einsatz von cDNA Arrays und high-density oligonucleotide Chips ist ein bedeutender Beitrag zum Fortschritt in der biologischen und medizinischen Grundlagenforschung möglich, der nur geleistet werden kann, wenn der gegenwärtige Mangel an adäquaten statistischen Methoden für die Arraydatenanalyse beseitigt wird. Eine neue Regelextraktionsmethode wurde entwickelt mit folgenden Komponenten: Diskretisierung und Selektion der Merkmale, Extraktion von logischen Regeln, Validation der logischen Regeln. Die entwickelten Methoden wurden in modernen Programmtechnologien (Java 2,XML, SQL) realisiert. Für die Analyse und Validierung der erhaltenen Regeln durch Extraktion von Schlüsselwörtern und Netzwerkkonstruktion wurden bekannte Datenbanken (Swiss-Prot/TrEMBL, Transpath und KEGG) verwendet. Die neu entwickelten Methoden erwiesen sich für drei untersuchten Datensätze (Leukämie, Darm- und Hirntumor) als leistungsfähig

Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for L-lysine production on silage

Currently the essential amino acid L-lysine is mostly produced using traditional substrates like glucose and molasses. In this work, a computer based approach and molecular biology techniques were applied in order to investigate the potential of L-lysine overproduction with C. glutamicum on renewable substrates, in this case silage and silage juice. Based on elementary mode analysis, several target genes in the feedback resistant C. glutamicum lysCfbr strain, including D-lactate dehydrogenase (dld), pyruvate carboxylase (pyc), malic enzyme (malE), fructose 1,6-bisphosphatase (fbp) and glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (gapX), were overexpressed. Substantially re–designing the metabolism yielded mutants with good growth characteristics, complete substrate consumption, reduced byproduct formation coupled with increasing L-lysine yields on synthetic and natural silage juices. This combination of mutations, beneficial for the use of gluconeogenic substrates and sufficient anabolic reduction power, yielded a robust and stable strain, C. glutamicum SL. With a total L-lysine carbon yield of around 10% at growth rates of µ = 0.35 ± 0.01 h-1 on grass and corn silage juices with no further supplementation and hardly affected by low oxygen supply, this strain proves the suitability of bio-based L-lysine production.Für die Produktion der essentiellen Aminosäure L-Lysin wurden bisher traditionelle Kohlenstoffquellen wie Glukose und Molasse benutzt. Unter Zuhilfenahme bioinformatischer und molekularbiologischer Methoden wurde die Einsatzmöglichkeit von Silage und Silagepresssaft als Fermentationssubstrat für eine Lysinproduktion mit C. glutamicum geprüft. Basierend auf der durchgeführten Elementarmodenanalyse wurden im Ausgangsstamm C. glutamicum lysCfbr die D-Laktat Dehydrogenase (dld), Pyruvatcarboxylase (pyc), Malatenzym (malE), Fruktose-1,6–bisphosphatase (fbp) und die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (gapX) überexprimiert. Die Umstrukturierung des Zentralstoffwechsels lieferte Mutanten mit guten Wachstumsraten, einem breiteren Substratspektrum, geringerer Nebenproduktbildung und erhöhten Lysinausbeuten auf synthetischen und natürlichen Silagepresssäften. Durch die Kombination an Mutationen, die eine bessere Verwertung von glukoneogenen Substraten und eine ausreichende NADPH Versorgung ermöglicht, entstand der robuste und stabile Stamm C. glutamicum SL. Mit Lysinausbeuten von 10% bei einer Wachstumsrate µ = 0.35 ± 0.01 h-1 auf verschiedenen Silagepresssäften auch bei reduzierter Sauerstoffversorgung, zeigt dieser Stamm ein großes Potential für Lysinproduktion auf Silagen als nachwachsendem Rohstoff

Computational Genome and Pathway Analysis of Halophilic Archaea

Halophilic archaea inhabit hypersaline environments and share common physiological features such as acidic protein machineries in order to adapt to high internal salt concentrations as well as electron transport chains for oxidative respiration. Surprisingly, nutritional demands were found to differ considerably amongst haloarchaeal species, though, and in this project several complete genomes of halophilic archaea were analysed to predict their metabolic capabilities. Comparative analysis of gene equipments showed that haloarchaea adopted several strategies to utilize abundant cell material available in brines such as the acquisition of catabolic enzymes, secretion of hydrolytic enzymes, and elimination of biosynthesis gene clusters. For example, metabolic genes of the well-studied Halobacterium salinarum were found to be consistent with the known degradation of glycerol and amino acids. Further, the complex requirement of H. salinarum for various amino acids and vitamins in comparison with other halophiles was explained by the lack of several genes and gene clusters, e.g. for the biosynthesis of methionine, lysine, and thiamine. Nitrogen metabolism varied also among halophilic archaea, and the haloalkaliphile Natronomonas pharaonis was predicted to apply several modes of N-assimilation to cope with severe ammonium deficiencies in its highly alkaline habitat. This species was experimentally shown to possess a functional respiratory chain, but comparative analysis with several archaea suggests a yet unknown complex III analogue in N. pharaonis. Respiratory chains of halophilic and other respiratory archaea were found to share similar genes for pre-quinone electron transfer steps but show great diversity in post-quinone electron transfer steps indicating adaptation to changing environmental conditions in extreme habitats. Finally, secretomes of halophilic and non-halophilic archaea were predicted proposing that haloarchaea secretion proteins are predominantly exported via the twin-arginine pathway and commonly exhibit a lipobox motif for N-terminal lipid anchoring. In N. pharaonis, lipoboxcontaining proteins were most frequent suggesting that lipid anchoring might prevent protein extraction under alkaline conditions. By contrast, non-halophilic archaea seem to prefer the general secretion pathway for protein translocation and to retain only few secretion proteins by N-terminal lipid anchors. Membrane attachment was preferentially observed for interacting components of ABC transporters and respiratory chains and might further occur via postulated C-terminal anchors in archaea. Within this project, the complete genome of the newly sequenced N. pharaonis was analysed with focus on curation of automatically generated data in order to retrieve reliable gene prediction and protein function assignment results as a basis for additional studies. Through the development of a post-processing routine and expert validation as well as by integration of proteomics data, a highly reliable gene set was created for N. pharaonis which was subsequently used to assess various microbial gene finders. This showed that all automatic gene tools predicted a rather correct gene set for the GC-rich N. pharaonis genome but produced insufficient results in respect to their start codon assignments. Available proteomics results for N. pharaonis and H. salinarum were further analysed for posttranslational modifications, and N-terminal peptides of haloarchaeal proteins were found to be commonly processed by N-terminal methionine cleavage and to some extent further modified by N-acetylation. For general function assignment of predicted N. pharaonis proteins and for enzyme assignment in H. salinarum, similarity-based searches, genecontext methods such as neighbourhood analysis but also manual curation were applied in order to reduce the number of hypothetical proteins and to avoid cross-species transfer of misassigned functions. This permitted to reliably reconstruct the metabolism of H. salinarum and N. pharaonis. Generated metabolic data were stored in a newly developed metabolic database that also integrates experimental data retrieved from the literature. The pathway data can be assessed as coloured KEGG maps and were combined with data resulting from transcriptomics and proteomics techniques. In future, expert-curated reaction entries of the created metabolic database will be a valuable source for the design of metabolic experiments and will deliver a reliable input for metabolic models of halophilic archaea