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Systems biology of the central metabolism of Streptococcus pyogenes

Levering, Jennifer

German Title: Systembiologie des zentralen Metabolismus von Streptococcus pyogenes

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Abstract

Streptococcus pyogenes gehört zu den häufigsten Erregern von Haut- und Atemwegserkrankungen beim Menschen und verursacht verschiedene Krankheiten, von leichten Hautinfektionen bis hin zu schweren immunologisch bedingten Folgeerkrankungen der Streptokokkeninfektion, beispielsweise rheumatisches Fieber. Wie alle Milchsäurebakterien gewinnt S. pyogenes die zum Wachstum benötigte Energie mittels Substratkettenphosphorylierung in der Glykolyse. Das dabei gebildete Pyruvat wird hauptsächlich zu Lactat reduziert. Bisher ist die Regulation einiger glykolytischer Enzyme von S. pyogenes untersucht worden, ein dynamisches Modell der Fermentation ist aber noch nicht aufgestellt worden. Um die Glykolyse von S. pyogenes verstehen und mit der anderer Milchsäurebakterien vergleichen zu können, entwickeln wir ein quantitatives Modell des zentralen Stoffwechsels. Die Konstruktion dieses ersten glykolytischen Modells für S. pyogenes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit experimentellen und theoretischen Gruppen innerhalb eines SysMO-Konsortiums. Zur Modellentwicklung werden die von unseren Partnern bereitgestellten Daten benutzt. Fehlende Parameter und Regulationen werden von verwandten Organismen, insbesondere von Lactococcus lactis, übernommen. Aufgrund unbekannter Enzymmechanismen werden „Convenience Kinetics“ genutzt. Um eine gute Übereinstimmung zwischen unseren experimentellen Daten und dem Modell zu erhalten, wird eine Parameterschätzung durchgeführt. Unsere Glukosepulsexperimente zeigen, dass mit der extrazellulären Phosphatkonzentration das FBP-Level und die Rate der Glukoseaufnahme steigen. Mit der Erweiterung um ein Phosphataufnahme-System kann unser kinetisches Modell beide Effekte beschreiben. Zur Aufnahme von Phosphat aus dem Medium besitzt S. pyogenes zwei Systeme. Zum einen besitzt es einen ATP-abhängigen Uniporter, zum anderen wurde ein Natrium-Phosphat-Symporter vorhergesagt. In bisher veröffentlichten glykolytischen Modellen wurde die Phosphatkonzentration nicht als freie Variable implementiert, der Einfluss von Phosphat auf die Glykolyse wurde bislang unterschätzt. Weiterhin wurde ein genomweites Modell zur Simulation von Wachstum und Reproduktion von S. pyogenes konstruiert. Diese Rekonstruktion basiert auf der Genomsequenz und bereits existierenden metabolischen Netzwerken von Escherichia coli, Bacillus subtilis, Lactobacillus plantarum und Lactococcus lactis. Zur Auswertung und Simulation wird „Flux Balance Analysis“ angewandt. Gemessene Aminosäure- und Produktflüsse begrenzen die Flüsse des genomweiten Modells. Um Wachstum und Reproduktion zu simulieren, wurde die Produktion von Biomasse als Zielfunktion gewählt. Die Validierung des rekonstruierten Netzwerks erfolgt mit experimentellen Daten. Dazu haben wir das Wachstum auf einem chemisch definierten Medium mit dem Fehlen von ausgesuchten Aminosäuren untersucht. Außerdem haben wir das Substratspektrum von S. pyogenes studiert. In Übereinstimmung mit den experimentellen Daten simuliert das Modell Wachstum auf Trehalose, Sucrose, Maltose und Mannose. Das Modell erleichtert die Unteruschung des Verhaltens von S. pyogenes auf Veränderungen in seiner Umgebung. Basierend auf dem Modell haben wir essentielle Aminosäuren und ein Minimalmedium für das Wachstum von S. pyogenes bestimmt. Das kinetische und das genomweite Modell erleichtern das Bestimmen und Verstehen der Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen S. pyogenes und eng verwandten Milchsäurebakterien, insbesondere L. lactis. Diese Modelle erleichtern die Entwicklung von Strategien zur Kontrolle oder Reduktion des Wachstums des Krankheitserregers S. pyogenes.

Translation of abstract (English)

Streptococcus pyogenes is a lactic acid bacteria that colonises the skin or throat and causes many human diseases ranging from mild skin infections to serious systemic diseases like rheumatic fever. As a lactic acid bacteria it relies on substrate-level phosphorylation for its energy synthesis and ferments sugars primarily to lactate via the glycolytic pathway followed by pyruvate degradation. So far, some S. pyogenes-specific allosteric regulations of glycolytic processes have been identified, but no kinetic model of its glycolysis exists to study the dynamic interactions and understand their regulations. In order to explore the glycolytic pathway of S. pyogenes and to be able to compare it to other lactic acid bacteria, we set up a quantitative model of the central metabolism. This first glycolytic model for the poorly-studied S. pyogenes is set up in close collaboration with experimental and theoretical groups within a SysMO consortium. Unknown parameters and allosteric regulation are adopted from related organisms, especially from the well-studied Lactococcus lactis. Due to unknown enzyme mechanisms convenience kinetics are exploited. To gain a satisfactory fit between the experimental data delivered from partners and the model, parameter estimation is applied. Our glucose-pulse experiments show that an increase in the extracellular phosphate concentration induces a rise in the FBP level and in the glucose uptake rate. Both effects can be simulated with the developed model by integrating phosphate uptake. S. pyogenes possesses an ATP-dependent transport system but also genes predicted to encode a sodium phosphate symporter. Interestingly, so far, phosphate usually has not been considered as a free variable in glycolytic models and therefore its role has been underestimated. Furthermore, a genome-scale model including all reactions required for growth is constructed. The reconstruction is based on the genome sequence and takes advantage of already existing and curated metabolic networks of Escherichia coli, Bacillus subtilis, Lactobacillus plantarum and Lactococcus lactis. Metabolic network analysis and simulation is carried out using flux balance analysis. Measured amino acid and product fluxes are used to constraint the genome-scale model. Since the network is constructed to simulate growth and reproduction the biomass function is chosen as objective function. To validate the reconstructed network, additional experiments are performed. We study growth on chemically defined medium with amino acid leave-outs. Furthermore, we investigate growth on different carbon sources. In accordance to our experimental data the in silico model is able to utilise trehalose, sucrose, maltose and mannose. The model facilitates the exploration of S. pyogenes behaviour to environmental perturbations. Based on the model we predict essential amino acids and a minimal medium for the growth of S. pyogenes. Both models, the kinetic and the genome-scale model, facilitate discovering and understanding the similarities and differences between S. pyogenes and closely related lactic acid bacteria, especially L. lactis. These models will help in the design of strategies to control or reduce growth of the human pathogen S. pyogenes.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kummer, Prof. Dr. Ursula
Date of thesis defense: 6. September 2011
Date Deposited: 06. Sep 2011 14:35
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Systembiologie, Streptococcus pyogenes, Milchsäurebakterien, Modellierung
Uncontrolled Keywords: Systems Biology , Streptococcus pyogenes , Lactic acid bacteria , Modelling
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