Multistationary and Oscillatory Modes of Free Radicals Generation by the Mitochondrial Respiratory Chain Revealed by a Bifurcation Analysis

The mitochondrial electron transport chain transforms energy satisfying cellular demand and generates reactive oxygen species (ROS) that act as metabolic signals or destructive factors. Therefore, knowledge of the possible modes and bifurcations of electron transport that affect ROS signaling provides insight into the interrelationship of mitochondrial respiration with cellular metabolism. Here, a bifurcation analysis of a sequence of the electron transport chain models of increasing complexity was used to analyze the contribution of individual components to the modes of respiratory chain behavior. Our algorithm constructed models as large systems of ordinary differential equations describing the time evolution of the distribution of redox states of the respiratory complexes. The most complete model of the respiratory chain and linked metabolic reactions predicted that condensed mitochondria produce more ROS at low succinate concentration and less ROS at high succinate levels than swelled mitochondria. This prediction was validated by measuring ROS production under various swelling conditions. A numerical bifurcation analysis revealed qualitatively different types of multistationary behavior and sustained oscillations in the parameter space near a region that was previously found to describe the behavior of isolated mitochondria. The oscillations in transmembrane potential and ROS generation, observed in living cells were reproduced in the model that includes interaction of respiratory complexes with the reactions of TCA cycle. Whereas multistationarity is an internal characteristic of the respiratory chain, the functional link of respiration with central metabolism creates oscillations, which can be understood as a means of auto-regulation of cell metabolism. © 2012 Selivanov et al

Oxygen pathway modeling estimates high Reactive oxygen species production above the highest permanent human habitation.

The production of reactive oxygen species (ROS) from the inner mitochondrial membrane is one of many fundamental processes governing the balance between health and disease. It is well known that ROS are necessary signaling molecules in gene expression, yet when expressed at high levels, ROS may cause oxidative stress and cell damage. Both hypoxia and hyperoxia may alter ROS production by changing mitochondrial Po2 (). Because depends on the balance between O2 transport and utilization, we formulated an integrative mathematical model of O2 transport and utilization in skeletal muscle to predict conditions to cause abnormally high ROS generation. Simulations using data from healthy subjects during maximal exercise at sea level reveal little mitochondrial ROS production. However, altitude triggers high mitochondrial ROS production in muscle regions with high metabolic capacity but limited O2 delivery. This altitude roughly coincides with the highest location of permanent human habitation. Above 25,000 ft., more than 90% of exercising muscle is predicted to produce abnormally high levels of ROS, corresponding to the "death zone" in mountaineering

Predictive Medicine for Chronic Patients in an Integrated Care Scenario. Chronic Obstructive Pulmonary Disease as Use Case

[cat] INTRODUCCIÓ La proliferació de les malalties no contagioses i la creixent necessitat de reduir costos està desencadenant una remodelació estructural de l’atenció sanitària envers el model d’atenció a crònics, involucrant la implementació de serveis d’atenció integrada (SAI) amb el suport de les tecnologies de la informació i la comunicació (SAI-TIC). En aquest escenari, la emergent medicina de sistemes, amb un aproximació holística basada en els mecanismes de les malalties, juga un rol rellevant a l’avaluació del risc per la salut i la estratificació de pacients. L’objectiu principal de Synergy-COPD ha estat la exploració del potencial de una aproximació de la medicina de sistemes per tal de millorar el coneixement dels mecanismes subjacents a la heterogeneïtat de la malaltia pulmonar obstructiva crònica (MPOC). Fent èmfasi als efectes sistèmics de la malaltia, així com en la comorbiditat. La transferència de nous coneixements a l’atenció sanitària ha estat també un dels objectius principals d’aquest projecte. A més, Synergy-COPD ha explorat noves interaccions envers la investigació biomèdica i l’atenció sanitària, amb la darrera finalitat de promoure la medicina 4P (predictiva, preventiva, personalitzada i participatòria) per a pacients amb malalties cròniques. Aquesta tesi doctoral contribueix amb Synergy-COPD en dos aspectes específics: 1. Un anàlisi quantitatiu de la relació entre la oxigenació cel•lular i la producció de radicals lliures d’oxigen (ROS) a nivell mitocondrial. 2. Diversos desenvolupament tecnològics adreçats a la transferència de coneixement biomèdic envers a l’atenció sanitària i la investigació biomèdica. HIPÒTESIS La hipòtesi general d’aquesta tesi doctoral és que una personalització de l’avaluació del risc per a la salut i la estratificació de pacients ha de desencadenar en una atenció sanitària més eficient i orientada envers pacient. Específicament aquesta tesi doctoral planteja la hipòtesi de que el modelatge mecanicista del sistema de transport i utilització d’oxigen, tenint en compte la funció mitocondrial, pot contribuir a avaluar els efectes biològics d ela hipòxia cel•lular i el seu paper a la disfunció del múscul esquelètic a la MPOC. D’altra banda, aquesta tesi doctoral planteja també la hipòtesi referent a que un disseny holístic basat en les TIC pot contribuir a un desplegament efectiu de SAI-TIC per a pacients crònics, fomentant l’aplicació dels assoliments de la investigació orientada a sistemes a l’assistència sanitària. OBJECTIUS La integració de un modelatge fisiològic del sistema de transport i utilització d’oxigen amb el modelatge bioquímic de la generació mitocondrial de ROS, amb la finalitat d’analitzar les relacions entre la oxigenació del múscul esquelètic i la producció mitocondrial de ROS. El desenvolupament d’eines TIC que donin suport a Serveis d’Atenció Integrada (SAI-TIC) per a pacients crònics, i per tal de fomentar la interacció entre la investigació biomèdica basada en la medicina de sistemes i l’atenció sanitària. RESULTATS PRINCIPALS Anàlisi quantitatiu de la relació entre oxigenació cel•lular i la generació mitocondrial de ROS El modelatge realitzat en aquesta tesi doctoral analitza tots els factor determinants del sistema de la cadena de transport d’oxigen. S’ha demostrat que donat un cert grau d’heterogeneïtat al múscul esquelètic es disminueix la transferència global d’oxigen més de lo que la redueix la heterogeneïtat pulmonar. D’altra banda, la heterogeneïtat observada actualment a nivell pulmonar es major que la observada al múscul, per tant la heterogeneïtat pulmonar en general té un impacte més gran sobre la transferència total d’oxigen. A més, es demostra que la heterogeneïtat muscular incrementa el rang de nivells d’oxigenació cel•lular (PmO2), i a regions del múscul esquelètic amb una major aportació sanguínia en comparació a la capacitat metabòlica, els valors de PmO2 poden excedir els valors d’oxigenació venosa mixta. Malauradament, la mesura del nivell d’heterogeneïtat funcional al múscul esquelètic és molt insuficient degut a les limitacions tecnològiques. El model indica que la relació entre la capacitat de transport d’oxigen i utilització d’oxigen determina principalment els valors d’oxigenació cel•lular PmO2. Aquest fenomen, pot ser molt rellevant després d’un procés d’entrenament d’alta intensitat a pacients MPOC amb limitacions de transport d’oxigen degut a la malaltia pulmonar. Les simulacions utilitzant dades mesurades en subjectes sans realitzant exercici màxim han desvelat que l’altitud desencadena una alta producció de ROS mitocondrial a les regions del múscul esquelètic amb una altra capacitat mitocondrial però amb una limitada capacitat d’aportació d’oxigen. Aquesta observació és evident a partir d’una altitud corresponent a uns 5000 metres sobre el nivell del mar. Per sobre d’aquesta altitud no existeix cap assentament humà permanentment habitat i els humans experimenten una pèrdua inexorable de massa corporal. Però, es conclou que l’ús del model integrat en condicions de malaltia requereix una millor estimació dels paràmetres mitocondrials. Suport TIC per al desplegament de serveis d’atenció integrada (SAI-TIC) i la interacció entre l’atenció sanitària i la investigació biomèdica basada en la medicina de sistemes S’ha desenvolupat una plataforma tecnològica modular que proporciona un conjunt bàsic d’eines i tecnologies per donar suport a la implementació de SAI-TIC per a pacients crònics. Aquesta plataforma tecnològica ha suportat de manera eficient els quatre SAI dissenyats i avaluats en el context del projecte europeu NEXES (2008-2013, www.nexeshealth.eu) a un dels districtes sanitaris de Barcelona, amb un total de 540.000 habitants, i ha mostrat potencial d’escalabilitat a nivell regional. El concepte de “Digital Health Framework (DHF)” ha estat articulat amb la finalitat d’enllaçar l’atenció sanitària i a la investigació biomèdica basada en la medicina de sistemes. La base de coneixement de Synergy-COPD ha estat desenvolupada com a un component d’investigació del DHF per tal de fomentar la transició envers una medicina 4P. CONCLUSIONS 1. El model que integra els determinants fisiològics de la cadena de transport d’oxigen i els elements bioquímics moduladors de la formació a nivell mitocondrial de ROS, ha proporcionat, per primera vegada, un anàlisi quantitatiu de la relació entre la oxigenació cel•lular i la producció mitocondrial de ROS. El model genera resultats consistents en salut, però una millor estimació dels paràmetres mitocondrials és necessària quan s’aplica a MPOC. 2. La plataforma tecnològica per al suport de serveis d’atenció integrada (SAI) per a pacients crònics ha cobert de forma efectiva els requisits funcionals per al desplegament d’un entorn amb un únic proveïdor. Els reptes que cal afrontar per a un desplegament a nivell regional de SAI han estat identificats i s’han proposat estratègies per a la seva adopció. 3. El concepte de “Digital Health Framework (DHF)” representa un escenari on l’enllaç entre l’atenció integrada i la investigació biomèdica de medicina de sistemes han de promoure el desplegament de la medicina 4P. S’ha proposat les línies estratègiques per a una correcta adopció del DHF. 4. La base del coneixement específica per a MPOC (COPDkb) ha estat desenvolupada i analitzada en aquesta tesi doctoral, constitueix un component principal de la investigació biomèdica basada en la medicina de sistemes.[eng] BACKGROUND The epidemics of non-communicable diseases and the need for cost-containment are triggering a profound reshaping of healthcare delivery toward adoption of the Chronic Care model, involving deployment of integrated care services (ICS) with the support of information and communication technologies (ICS-ICT). In this scenario, emerging systems medicine, with a holistic mechanism-based approach to diseases, may play a relevant role in health risk assessment and patient stratification. The general aim of Synergy-COPD was to explore the potential of a systems medicine approach to improve knowledge on underlying mechanisms of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) heterogeneity, focusing on systemic effects of the disease and co-morbidity clustering. The transfer of acquired knowledge to healthcare was also a core aim of the project. Moreover, Synergy-COPD explored novel cross talk between biomedical research and healthcare to foster deployment of 4P (Predictive, Preventive, Personalized and Participatory) Medicine for patients with chronic disorders. The current PhD thesis contributed to Synergy-COPD focusing on two specific areas: i) a quantitative analysis of the relationships between cellular oxygenation and mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation; and, ii) different ICT developments addressing transfer of knowledge to healthcare and the interplay with biomedical research. HYPOTHESIS The overarching hypothesis of this PhD thesis is that subject-specific health risk assessment and stratification may lead to novel and a more efficient patient-oriented healthcare delivery. Specifically, the current PhD studies hypothesize that predictive mechanistic modeling integrating oxygen pathway and mitochondrial function can contribute to assess the biological effects of cellular hypoxia and its role on skeletal muscle dysfunction in COPD. Moreover, it is hypothesized that a holistic design of the ICT support may contribute to a successful deployment of ICS-ICT for chronic patients fostering the transfer of the achievements of systems-oriented research into healthcare. OBJECTIVES To integrate physiological modeling of the O2 pathway and biochemical modeling of mitochondrial ROS generation to quantitatively analyze the relationships between skeletal muscle oxygenation and mitochondrial ROS generation. To develop ICT tools supporting Integrated Care Services (ICS-ICT) for chronic patients, as well as innovative cross talk between systems-oriented biomedical research and healthcare. MAIN FINDINGS Quantitative analysis between cellular oxygenation and mitochondrial ROS generation The model analyzed the role of all the physiological determinants of the O2 pathway. It was shown that a given degree of heterogeneity in the skeletal muscle reduces overall O2 transfer more than does lung heterogeneity, but actually observed heterogeneity in lung is greater than in muscle, so that lung heterogeneity has a greater impact on overall O2 transport. In addition, muscle heterogeneity showed to increase the range of skeletal muscle PmO2 values, and in regions with a low ratio of metabolic capacity to blood flow, mitochondrial PO2 (PmO2) could exceed that of mixed tissue venous blood. Unfortunately, assessment of skeletal muscle functional heterogeneities is highly limited due to technological constraints. The model indicates that the ratio between O2 transport capacity and mitochondrial O2 utilization potential determines PmO2. The phenomenon might be highly relevant after high intensity resistance training in COPD patients with limitation of O2 transport due to the pulmonary disease. Simulations using data from healthy subjects during maximal exercise revealed that altitude triggers high mitochondrial ROS production in skeletal muscle regions with high metabolic capacity, but limited O2 delivery, already evident at approx. 17,000 ft. above sea level. This is the altitude above which permanent human habitation does not occur, and the altitude above which humans experience inexorable loss of body mass. However, it is concluded that the use of the integrated model in disease conditions requires further refinement of mitochondrial parameter estimation. ICT-support to the deployment of integrated care services (ICS-ICT) and to the cross talk between healthcare and systems-oriented biomedical research An open and modular platform was developed to provide the common basic set of tools and technologies to support the implementation of ICS-ICT for chronic patients. The platform has effectively covered the four ICS developed and assessed within the NEXES European project (2008-2013, www.nexeshealth.eu) in one of Barcelona’s Health Care Districts accounting for 540.000 inhabitants, and has shown potential for further deployment at regional level. The concept of the Digital Health Framework (DHF) was articulated to provide linkage between healthcare and innovative systems-oriented biomedical research. The Synergy-COPD knowledge base was developed as a component of the DHF-research to enforce the transition toward 4P medicine. CONCLUSIONS 1. The model integrating physiological determinants of the O2 pathway and biochemical modulators of mitochondrial ROS formation provides, for the first time, a quantitative assessment of the relationships between cellular oxygenation and mitochondrial ROS production. The model generates consistent results in health, but parameter estimations when applied to COPD needs refinement. 2. The ICT-platform supporting integrated care services (ICS) for chronic patients effectively covered the functional requirements for deployment within a single-provider environment. The challenges to be faced for regional deployment of the ICS were identified and strategies for adoption have been proposed. 3. The Digital Health Framework (DHF) conceptualizes a scenario for an effective cross talk between integrated care and systems-oriented biomedical research that should foster deployment of 4P medicine. Future steps for adoption of the DHF have been proposed. 4. The COPD-specific knowledge base (COPDkb), developed and assessed in the current PhD thesis, constitutes a pivotal component of systems-oriented biomedical research.[spa] INTRODUCCIÓN La proliferación de enfermedades no transmisibles y la creciente necesidad de contención de costes están desencadenando un profundo rediseño de la atención sanitaria hacia la adopción de un modelo de atención a crónicos, involucrando la implementación de servicios de atención integrada (SAI) con el soporte de las tecnologías de la información y de la comunicación (SAI-TIC). En este escenario, la emergente medicina de sistemas, con una aproximación holística basada en los mecanismos de las enfermedades, juega un papel muy relevante en la evaluación del riesgo para la salud y la estratificación de pacientes. El objetivo principal de Synergy-COPD ha sido la exploración del potencial de una aproximación de medicina de sistemas para mejorar el conocimiento de los mecanismos subyacentes a la heterogeneidad de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Haciendo énfasis en los efectos sistémicos de la enfermedad, así como en la comorbilidad. La transferencia de nuevos conocimiento a la atención sanitaria ha sido también un objetivo principal del proyecto. Por otro lado, Synergy-COPD ha explorado nuevas interacciones entre investigación biomédica y atención sanitaria, con la finalidad última de promover la medicina 4P (Predictiva, Preventiva, Personalidad y Participativa) para pacientes con enfermedades crónicas. Esta tesis doctoral contribuye con Synergy-COPD en dos aspectos específicos: 1. Un análisis cuantitativo de la relación entre la oxigenación celular y la producción de radicales libres de oxígeno (ROS) a nivel mitocondrial. 2. Diversos desarrollos tecnológicos dirigidos a la trasferencia de conocimiento biomédico a la atención sanitaria y la investigación biomédica. HIPÓTESIS La hipótesis general de esta tesis doctoral es que una personalización de la evaluación del riesgo para la salud y la estratificación, tiene que desencadenar una atención sanitaria más eficiente y orientada al paciente. Específicamente, esta tesis doctoral plantea la hipótesis de que un modelado mecanicista del sistema de transporte y utilización de oxígeno, teniendo en cuenta la función mitocondrial, puede contribuir a evaluar los efectos biológicos de la hipoxia celular y su papel en la disfunción del músculo esquelético en la EPOC. Por otra parte, se plantea la hipótesis de que un diseño holístico basado en las TIC puede contribuir a una implementación exitosa de SAI-TIC para los pacientes crónicos, fomentando la transferencia de los logros de la investigación orientada a sistemas en la asistencia sanitaria. OBJETIVOS La integración del modelado fisiológico del sistema de transporte y utilización de oxígeno con el modelado bioquímico de la generación mitocondrial de ROS, con la finalidad de analizar las relaciones entre la oxigenación del músculo esquelético y la producción mitocondrial de ROS. El desarrollo de herramientas TIC que den soporte a servicios de atención integrada (SAI-TIC) para pacientes crónicos, y que fomenten la interacción entre la investigación biomédica basada en la medicina de sistemas y la atención sanitaria. RESULTADOS PRINCIPALES Análisis cuantitativo de la relación entre oxigenación celular y la generación mitocondrial de ROS El modelaje realizado en esta tesis doctoral analiza todos los factores determinantes de la cadena de transporte de oxígeno. Se ha mostrado que un determinado grado de heterogeneidad en el músculo esquelético reduce la transferencia global de oxígeno más de lo que la reduce la heterogeneidad pulmonar. Sin embargo, la heterogeneidad observada actualmente a nivel pulmonar es mayor que la observada en músculo, por lo tanto, la heterogeneidad pulmonar en general tiene un impacto mayor sobre la transferencia total de oxígeno. Por otra parte, hemos mostrado que la heterogeneidad muscular incrementa el rango de niveles de oxigenación celular (PmO2), y en regiones del músculo esquelético con un mayor aporte sanguíneo en comparación con la capacidad metabólica, los valores de PmO2 pueden exceder los correspondientes valores de oxigenación venosa mixta. Desafortunadamente, la medición del nivel de heterogeneidad funcional en músculo esquelético es muy insuficiente debido a las limitaciones tecnológicas. El modelo indica que la relación entre la capacidad de transporte y utilización de oxígeno determina principalmente los valores de oxigenación celular (PmO2). Este fenómeno, puede que sea muy relevante después de un proceso de entrenamiento de alta intensidad en pacientes EPOC con limitaciones de transporte de oxígeno debido a la enfermedad pulmonar. Simulaciones utilizando datos medidos en sujetos sanos realizando ejercicio máximo han desvelado que la altitud desencadena una alta producción de ROS mitocondrial en las regiones del músculo esquelético con una alta capacidad metabólica pero con una limitada capacidad de aporte de oxígeno. Esta observación, es evidente a partir de una altitud correspondiente a 5000 metros sobre el nivel del mar. Por encima de esta altitud no existe ningún asentamiento humano permanentemente habitado y los humanos experimentan una perdida inexorable de masa corporal. Sin embargo, se concluye que el uso del modelo integrado en condiciones de enfermedad requiere una mejor estimación de los parámetros mitocondriales. Soporte TIC para el despliegue de servicios de atención integrada (SAI-TIC) y la interacción entre la atención sanitaria y la investigación biomédica basada en la medicina de sistemas Se ha desarrollado una plataforma tecnológica modular que proporciona un conjunto básico de herramientas y tecnologías para dar soporte a la implantación de SAI-TIC para pacientes crónicos. Esta plataforma tecnológica ha soportado de manera eficiente los cuatro SAI diseñados y evaluados en el contexto del proyecto europeo NEXES (2008-2013, www.nexeshealth.eu) en uno de los distritos sanitarios de Barcelona, con un total de 540.000 habitantes, y ha mostrado potencial de escalabilidad a nivel regional. El concepto de “Digital Health Framework (DHF)” ha sido articulado con el fin de enlazar la atención sanitaria y la investigación biomédica basada en la medicina de sistemas. La basa de conocimiento de Synergy-COPD ha sido desarrollada como un componente de investigación del DHF para fomentar la transición hacia una medicina 4P. CONCLUSIONES 1. El modelo que integra los determinantes fisiológicos de la cadena de transporte de oxígeno y los elementos bioquímicos moduladores de la formación a nivel mitocondrial de ROS, ha proporcionado, por primera vez, un análisis cuantitativo de la relación entre la oxigenación celular y la producción mitocondrial de ROS. El modelo genera resultados consistentes en salud, pero una mejor estimación de los parámetros mitocondriales es necesaria cuando se aplica en EPOC. 2. La plataforma tecnológica para el soporte de servicios de atención integrada (SAI) pra pacientes crónicos ha cubierto de forma efectiva los requisitos funcionales para el despliegue en un entorno con un único proveedor. Los retos que se han afrontar un despliegue regional de SAI, han sido identificados y se han propuesto estrategias para su adopción. 3. El concepto de “Digital Health Framework (DHF)” representa un escenario en el que el enlace entre atención integrada e investigación biomédica de medicina de sistemas debe promover el despliegue de la medicina 4P. Se han propuesto líneas estratégicas para una correcta adopción del DHF. 4. La base de conocimiento específica para EPOC (COPDkb) que ha sido desarrollada y analizada en esta tesis doctoral, constituye un componente principal de la investigación biomédica basada en la medicina de sistemas

Multi-Scale Fluctuations in Non-Equilibrium Systems: Statistical Physics and Biological Application

Understanding how fluctuations continuously propagate across spatial scales is fundamental for our understanding of inanimate matter. This is exemplified by self-similar fluctuations in critical phenomena and the propagation of energy fluctuations described by the Kolmogorov-Law in turbulence. Our understanding is based on powerful theoretical frameworks that integrate fluctuations on intermediary scales, as in renormalisation group or coupled mode theory. In striking contrast to typical inanimate systems, living matter is typically organised into a hierarchy of processes on a discrete set of spatial scales: from biochemical processes embedded in dynamic subcellular compartments to cells giving rise to tissues. Therefore, the understanding of living matter requires novel theories that predict the interplay of fluctuations on multiple scales of biological organisation and the ensuing emergent degrees of freedom. In this thesis, we derive a general theory of the multi-scale propagation of fluctuations in non-equilibrium systems and show that such processes underlie the regulation of cellular behaviour. Specifically, we draw on paradigmatic systems comprising stochastic many-particle systems undergoing dynamic compartmentalisation. We first derive a theory for emergent degrees of freedom in open systems, where the total mass is not conserved. We show that the compartment dynamics give rise to the localisation of probability densities in phase space resembling quasi-particle behaviour. This emergent quasi-particle exhibits fundamentally different response kinetics and steady states compared to systems lacking compartment dynamics. In order to investigate a potential biological function of such quasi-particle dynamics, we then apply this theory to the regulation of cell death. We derive a model describing the subcellular processes that regulate cell death and show that the quasi-particle dynamics gives rise to a kinetic low-pass filter which suppresses the response of the cell to fast fluituations in cellular stress signals. We test our predictions experimentally by quantifying cell death in cell cultures subject to stress stimuli varying in strength and duration. In closed systems, where the total mass is conserved, the effect of dynamic compartmentalisation depends on details of the kinetics on the scale of the stochastic many-particle dynamics. Using a second quantisation approach, we derive a commutator relation between the kinetic operators and the change in total entropy. Drawing on this, we show that the compartment dynamics alters the total entropy if the kinetics of the stochastic many-particle dynamics violate detailed balance. We apply this mechanism to the activation of cellular immune responses to RNA-virus infections. We show that dynamic compartmentalisation in closed systems gives rise to giant density fluctuations. This facilitates the emergence of gelation under conditions that violate theoretical gelation criteria in the absence of compartment dynamics. We show that such multi-scale gelation of protein complexes on the membranes of dynamic mitochondria governs the innate immune response. Taken together, we provide a general theory describing the multi-scale propagation of fluctuations in biological systems. Our work pioneers the development of a statistical physics of such systems and highlights emergent degrees of freedom spanning different scales of biological organisation. By demonstrating that cells manipulate how fluctuations propagate across these scales, our work motivates a rethinking of how the behaviour of cells is regulated

A theoretical investigation of protein recruitment during the DNA damage response and of the dynamics of DNA replication

In this thesis, three interrelated theoretical investigations on the cell-biological topics of DNA double strand break response and DNA replication are presented. The first investigation is concerned with the recruitment of DNA double strand break response proteins to DNA damage sites. In the second, necessary conditions for the appearance of multiple steady states and oscillations in generic protein complex assembly networks are identified. Lastly in the third investigation, the mechanisms underlying the genome-scale organization of DNA replication are analyzed. It is known from experiment that the recruitment of the pathway-independent double strand break response protein NBS1 qualitatively changes its dynamics beyond a certain damage density, from damage density dependent to damage density independent. A minimal computer model of the recruitment of NBS1 (contained in the MRN complex) and several interacting proteins is developed and compared to experimental data. It becomes evident from the model that the change in dynamics can be interpreted a consequence of the shifting importance of two different MRN binding interactions. At low damage densities, binding in the wider damage site vicinity dominates, while at higher damage densities, binding directly to the damaged double strand ends becomes more important. Next, generic protein recruitment/protein complex assembly networks are investigated to find the prerequisites of complex dynamical effects such as multistability and oscillation. It is shown that if the networks are limited to association and dissociation reactions and if the protein numbers are conserved for the indivisible “elementary” proteins participating, then at least four such elementary protein species must be present for multistability or oscillations to appear. A rigorous mathematical proof is given that networks with only three elementary species cannot have multiple steady states. DNA replication in mammals and humans is qualitatively different from the well-understood replication process in simpler eukaryotes such as yeast. Reliable patterns exist in the organization of replication on the scale of chromosomes and chromosome segments, while the microscopic dynamics are known to be stochastic. A stochastic computer model is presented that incorporates the minimal set of model ingredients necessary to reproduce these dynamical properties. The ingredients are a fast-diffusing limiting factor, induced firing of origins depending on proximity to replication forks, a constant replication fork speed that is reduced during early S-phase and the initiation of replication in euchromatic DNA. Results are consistent with experimental data and the literature, making the model presented here one of the best-benchmarked replication models in existence. A combination of model results with a three-dimensional DNA conformation obtained from a Monte Carlo model shows that chromatin packing is a main cause of the microscopy patterns observed during mammalian DNA replication. The theoretical investigations presented in this thesis combine methods of physics and applied mathematics with problems from the field of cell-biology. Thus, due to this inherently interdisciplinary character, this thesis is of interest to a readership of both, physicists and biologists

Multistationary and oscillatory modes of free radicals generation by the mitochondrial respiratory chain revealed by a bifurcation analysis.

The mitochondrial electron transport chain transforms energy satisfying cellular demand and generates reactive oxygen species (ROS) that act as metabolic signals or destructive factors. Therefore, knowledge of the possible modes and bifurcations of electron transport that affect ROS signaling provides insight into the interrelationship of mitochondrial respiration with cellular metabolism. Here, a bifurcation analysis of a sequence of the electron transport chain models of increasing complexity was used to analyze the contribution of individual components to the modes of respiratory chain behavior. Our algorithm constructed models as large systems of ordinary differential equations describing the time evolution of the distribution of redox states of the respiratory complexes. The most complete model of the respiratory chain and linked metabolic reactions predicted that condensed mitochondria produce more ROS at low succinate concentration and less ROS at high succinate levels than swelled mitochondria. This prediction was validated by measuring ROS production under various swelling conditions. A numerical bifurcation analysis revealed qualitatively different types of multistationary behavior and sustained oscillations in the parameter space near a region that was previously found to describe the behavior of isolated mitochondria. The oscillations in transmembrane potential and ROS generation, observed in living cells were reproduced in the model that includes interaction of respiratory complexes with the reactions of TCA cycle. Whereas multistationarity is an internal characteristic of the respiratory chain, the functional link of respiration with central metabolism creates oscillations, which can be understood as a means of auto-regulation of cell metabolism