Thermodynamic principles governing metabolic operation

Nieuw model werpt licht op stofwisseling cellen

Het metabolisme (de stofwisseling) van een cel bestaat uit de chemische omzetting van tal van verbindingen op tal van verschillende plaatsen binnen die cel. Hoe energie stroomt door dit complexe netwerk (de flux) is het onderwerp van het proefschrift van Bastian Niebel. Door zijn werk is het nu beter mogelijk het metabolisme van een cel te voorspellen en te kwantificeren. Dit is belangrijk voor zowel fundamenteel onderzoek als voor de industriële ontwikkeling van speciale stammen van micro-organismen voor de productie van grondstoffen of bijvoorbeeld geneesmiddelen.

De principes die de metabolische fluxen in een cel vormgeven, worden slecht begrepen. Omdat verschillende organismen vergelijkbare metabolische flux patronen hebben, veronderstelde Niebel dat fundamentele thermodynamische principes metabolisme zouden kunnen reguleren. Hij ontwikkelde daarom een contstraint-based model voor Saccharomyces cerevisiae (bakkersgist), dat een uitvoerige beschrijving bevatte van de biochemische thermodynamica en Gibbs energie balans.

Met behulp van niet-lineaire regressie analyse van kwantitatief metaboloom (de verzameling van alle stofwisselingsproducten) en fysiologische data ontdekte Niebel dat er een maximale snelheid is voor de overdracht van cellulaire entropie. Indien dit limiet werd toegepast in flux balans analyse in combinatie met groei maximalisatie, voorspelde zijn model correct de fysiologie, intracellulaire metabolische fluxen en maximale groeisnelheden bij verschillende glucose opname snelheden en op verschillende koolstofbronnen. Klaarblijkelijk worden metabolische fluxen in gist bepaalt door reactiestoichiometrie, fundamentele thermodynamische beperkingen en groei maximalisatie.

Hierna combineerde Niebel zijn model met isotopomeer balanceren om de metabolische fluxen te kwantificeren in S. cerevisiae. Deze statistische methode maakt het mogelijk om een breed scala van verschillende experimentele data, zoals extracellulaire snelheden, metaboliet concentraties, standaard Gibbs energieën van reacties en ¹³C isotopomeer patronen, te combineren. Hierdoor kan met een minimale hoeveelheid van veronderstellingen de metabolische fluxen en hun betrouwbaarheidsintervallen worden geschat en een precies beeld gegeven worden van de werkelijke flux ruimte. Verder maakte deze methode het ons ook mogelijk om de voor- en achterwaartse fluxen door enzymatische reacties te schatten, wat de deur opent naar het bepalen van kinetische snelheden in vivo.

Bastian Niebel verrichtte zijn onderzoek bij de afdeling Molecular Systems Biology van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB), faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen. Bij diezelfde groep werkt hij nu als post doc onderzoeker. Zijn promotie onderzoek is gefinancierd door NWO.

Proefschrift: http://irs.ub.rug.nl/ppn/387241159