Systems biology of the central metabolism of Streptococcus pyogenes

Streptococcus pyogenes gehort zu den haufigsten 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 Milchsaurebakterien gewinnt S. pyogenes die zum Wachstum benotigte Energie mittels Substratkettenphosphorylierung in der Glykolyse. Das dabei gebildete Pyruvat wird hauptsachlich 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 Milchsaurebakterien vergleichen zu konnen, entwickeln wir ein quantitatives Modell des zentralen Stoffwechsels. Die Konstruktion dieses ersten glykolytischen Modells fur 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, ubernommen. Aufgrund unbekannter Enzymmechanismen werden „Convenience Kinetics“ genutzt. Um eine gute Ubereinstimmung zwischen unseren experimentellen Daten und dem Modell zu erhalten, wird eine Parameterschatzung durchgefuhrt. Unsere Glukosepulsexperimente zeigen, dass mit der extrazellularen 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-abhangigen Uniporter, zum anderen wurde ein Natrium-Phosphat-Symporter vorhergesagt. In bisher veroffentlichten glykolytischen Modellen wurde die Phosphatkonzentration nicht als freie Variable implementiert, der Einfluss von Phosphat auf die Glykolyse wurde bislang unterschatzt. 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 Aminosaure- und Produktflusse begrenzen die Flusse des genomweiten Modells. Um Wachstum und Reproduktion zu simulieren, wurde die Produktion von Biomasse als Zielfunktion gewahlt. Die Validierung des rekonstruierten Netzwerks erfolgt mit experimentellen Daten. Dazu haben wir das Wachstum auf einem chemisch definierten Medium mit dem Fehlen von ausgesuchten Aminosauren untersucht. Auserdem haben wir das Substratspektrum von S. pyogenes studiert. In Ubereinstimmung 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 Veranderungen in seiner Umgebung. Basierend auf dem Modell haben wir essentielle Aminosauren und ein Minimalmedium fur das Wachstum von S. pyogenes bestimmt. Das kinetische und das genomweite Modell erleichtern das Bestimmen und Verstehen der Ahnlichkeiten und Unterschiede zwischen S. pyogenes und eng verwandten Milchsaurebakterien, insbesondere L. lactis. Diese Modelle erleichtern die Entwicklung von Strategien zur Kontrolle oder Reduktion des Wachstums des Krankheitserregers S. pyogenes.