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Title
Are metabolic pathways stable with respect to biomass composition? / Vorgelegt von: Claudia Juno
Additional Titles
Sind elementare Stoffwechselwege von der Biomassezusammensetzung abhängig?
AuthorJuno, Claudia
Thesis advisorZanghellini, Jürgen
Published2019
Institutional NoteWien, FH Campus Wien, Masterarb., 2019
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionApril 2019
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (DE)Constraint-basierte Modellierung / Elementary-Flux-Mode / Energie / Escherichia coli / Stoffwechsel
Keywords (EN)constraint-based modeling / elementary flux mode / energy / Escherichia coli / metabolism
URNurn:nbn:at:at-fhcw:1-5672 Persistent Identifier (URN)
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Are metabolic pathways stable with respect to biomass composition? [2.24 mb]
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Abstract (German)

Die experimentell bestimmte Biomassefunktion ist ein wichtiger Bestandteil jedes Stoffwechsel-Modells. Ungenauigkeiten in der Zusammensetzung der Biomasse verursachen etwa ein Drittel aller falschen Vorhersagen von Flux-Balance-Analysen (FBAs). Bisher wurde noch nicht untersucht, ob die Zusammensetzung der Biomasse auch einen Einfluss auf die Wegstruktur eines Modells hat. Für die vorliegende Arbeit wurden die Stoffwechselwege in Form von Elementary-Flux-Modes (EFMs) definiert. EFMs sind einzigartige, minimale, steady-state Flussverteilungen, die als die kleinsten funktionellen Einheiten des Stoffwechsels betrachtet werden können. Jedes EFM repräsentiert eine bestimmte Stoffwechselfunktion. In meiner Diplomarbeit wurde der Einfluss von Variationen in der Zusammensetzung der Biomasse auf die metabolischen Fähigkeiten von Escherichia coli in Bezug auf die vorhandenen Stoffwechselwege systematisch untersucht, indem wir für jede Störung den resultierenden Satz von EFMs berechnet und analysiert haben. Wir fanden heraus, dass die gesamten metabolischen Fähigkeiten eines Modells von Schwankungen in der Zusammensetzung der Biomasse nur wenig beeinflusst wird, solange Wachstum möglich ist. Ob Wachstum möglich ist oder nicht, wird im Wesentlichen nur durch das Verhältnis von Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP) bestimmt, was die dominierende Rolle des Energiestoffwechsels unterstreicht. Schließlich haben wir beim Vergleich verschiedener Kohlenstoffquellen festgestellt, dass das Wachstum auf Glukose zu flexibleren Netzwerken führt, während Netzwerke bei Wachstum auf Acetat eine deutlich geringere Zahl an EFMs beinhalten, die aber wiederum sehr robust sind. In beiden Fällen konnte jedoch keine Korrelation von robusten Wegen mit typischen topologischen Merkmalen gefunden werden. Zusammenfassend haben wir festgestellt, dass der stöchiometrische Koeffizient von ATP in der Biomasse genau bestimmt werden muss, da er die wichtigste Determinante der berechneten Wegstruktur ist.

Abstract (English)

The experimentally determined biomass function is a key ingredient of any metabolic model. Inaccurate biomass composition causes about one third of all incorrect flux-balance analysis (FBA) predictions. Whether the biomass composition also has an influence on the pathway structure of a model has not yet been investigated. Here, metabolic pathways are defined as elementary flux modes (EFMs). EFMs are unique, minimal, steady-state flux distributions that can be considered as the smallest functional units of metabolism. Each EFM represents a particular metabolic function. In my masters thesis, we systematically investigated the influence of variations in biomass composition on the metabolic capabilities of Escherichia coli with respect to the accessible metabolic pathways by computing and analyzing the resulting set of EFMs for each perturbation. We found that the total set of metabolic capabilities is little affected by variations in the composition of biomass, as long as growth is feasible. Whether or not growth is feasible is essentially only determined by the ratio of adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP), highlighting the predominant role of the energy metabolism. Finally, when comparing different carbon sources, we found that growth on glucose leads to more adaptable networks because of the higher variability, whereas growth on acetate leads to fewer EFMs in absolute numbers, which in turn are very robust. In both cases, however, a correlation of robust pathways with typical topological properties was not found. In summary, we found that the stoichiometric coefficient of ATP in the biomass composition needs to be measured accurately, as it is the key determinate of the resulting pathway structure.

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