University of Groningen
Thermodynamic and stoichiometric constraint-based inference of metabolic phenotypes
Leupold, Karl Ernst Simeon
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Leupold, K. E. S. (2018). Thermodynamic and stoichiometric constraint-based inference of metabolic phenotypes. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Nederlandse Samenvatting
144
Nederlandse samenvatting
In hoofdstuk 2 hebben we nieuwe metabolische modellen ontwikkeld voor Saccharomyces cerevisiae (kernmetabolisme) en Escherichia coli (genoom-schaal), gebaseerd op massa- en Gibbs-energiegebalanceerde stoichiometrische reconstructies van metabolische netwerken. Met deze modellen en experimentele data (opname- en consumptiesnelheden en intracellulaire metabolietconcentra-ties in het geval van S. cerevisiae en opname- en consumpmetabolietconcentra-tiesnelheden in het geval van E. coli) hebben we een schatting gemaakt van de energiedissipatie van cellulaire werking in verscheidene condities (verschillende glucoseopnamesnel-heden) door het uitvoeren van een regressieanalyse. Hierbij vonden we dat de snelheid van de energiedissipatie een plateau bereikt (klaarblijkelijk heeft het een bovengrens) met toenemende glucoseopnamesnelheden, wat samenvalt met de aanvang van fermentatie.
Wanneer we een verder normale fluxbalansanalyse beperkten met deze gevonden limiet in cellulaire energiedissipatie en maximaliseerden voor biomas-saproductie, konden we, zowel in S. cerevisiae als in E. coli, de omschakeling van een volledig respiratief metabolisme naar een schijnbaar suboptimaal fermen-tatief metabolisme, alsmede de maximale groeisnelheid, correct voorspellen bij een toenemende glucoseopnamesnelheid. Met het E. coli-model konden we bovendien de maximale groeisnelheid (dat wil zeggen, de verwachte groeisnel-heid in ongelimiteerde cultures) correct voorspellen bij een verscgroeisnel-heidengroeisnel-heid aan koolstofbronnen. Dus we vermoeden dat groeimaximalisatie beperkt door een cellulaire energiedissipatielimiet, het sturende principe is dat de evolutie van het cellulaire metabolisme heeft vormgegeven in verschillende organismen en kool-stofbronnen.
Gegeven de excellente voorspellingen, zowel in omvang als nauwkeurigheid, die verkregen kunnen worden uit slechts weinig data, ontwikkelden we in hoofdstuk 3 een gedetailleerde workflow voor het construeren van dergelijke gecombineerde thermodynamische en stoichiometrische modellen, beginnend met iedere willekeurige reconstructie van een metabolisch netwerk.
In hoofdstuk 4 demonstreren we de mogelijkheden van de voorspellende methode die we in hoofdstukken 2 en 3 ontwikkeld hebben, door het afleiden van fenotypische veranderingen (intra- en extracellulaire snelheden en intracel-lulaire metabolietconcentraties) gedurende celveroudering in S. cerevisiae. Hier vonden we dat cellen bij het ouder worden omschakelen van een fermentatief naar respiratief metabolisme, wat samengaat met drastische herschikkingen in het metabolisme.
Tenslotte ontwikkelen we in hoofdstuk 5 een mechanistische theorie over hoe energiedissipatie cellulaire werking zou kunnen beperken. We speculeren dat de gedissipeerde energie de vorm heeft van kinetische energie en leidt tot een
fluïdi-Nederlandse Samenvatting
145
satie van het cytoplasma (oftewel een toename in cellulaire beweging). Deze beweging, hoewel in beperkte mate juist voordelig voor het functioneren van de cel, kan schadelijke gevolgen hebben wanneer een bepaalde drempelwaarde (namelijk de geïdentificeerde limiet in energiedissipatie) wordt overschreden, bijvoorbeeld door het verstoren van genregulatie.
Samenvattend presenteren we hier een thermodynamisch principe waarvan we denken dat het leidend is voor metabolische werking. Gebaseerd op deze bevinding, ontwikkelen we een computationele voorspellende methode om cellulaire fenotypes te voorspellen. Ook al is dit principe gebaseerd op robuuste computationele analyse en is er aangetoond dat de voorspellingen in overeenk-omst zijn met experimentele data, het moet nog experimenteel bevestigd worden.
