The synthesizing capacity of metabolic networks
Creators: name: Handorf, Thomas
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Metabolisches Netzwerk
subject: Strukturelle Analyse
subject: Synthesekapazität
subject: Metabolische Hierarchie
subject: metabolic network
subject: structural analysis
subject: synthesizing capacity
subject: metabolic hierarchy
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WC 7000
subject: WD 1500

description: In dieser Arbeit wird das Konzept der Scopes und auf großskalige metabolische Netzwerke angewendet. Scopes beschreiben die Synthesekapazität eines Netzwerkes, wenn dieses mit bestimmten Ausgangsstoffen versorgt wird. Dabei werden für definierte Ausgangsstoffe alle durch das Netzwerk synthetisierbaren Stoffe berechnet. In dieser Arbeit wird insbesondere das Referenznetzwerk der KEGG-Datenbank untersucht, welches Reaktionen unabhängig von ihrem Vorkommen in unterschiedlichen Organismen enthält. Es werden die Synthesekapazitäten systematisch für alle Einzelstoffe und für einige Stoffkombinationen errechnet und untersucht. Der Effekt von Kofaktoren wird analysiert. Desweiteren ist es möglich, Kombinationen von Ausgangsstoffen zu finden, aus denen wichtige Metabolite der Zelle produziert werden können. Somit kann der Nährstoffbedarf einer Zelle abgeschätzt werden. Im zweiten Teil wird eine Hierarchie der Scopes basierend auf Inklusionsrelationen zwischen diesen erstellt. Diese Hierarchie kann mit der chemischen Komposition der enthaltenen Stoffe, also mit deren chemischen Bausteinen, den Elementen oder Gruppen, in Verbindung gebracht werden. Dabei erhalten Scopes mit sehr häufigen Bausteinkombinationen eine hervorgehobene Rolle in der Hierarchie. Die Scopehierarchie kann mit der Autotrophie des Netzwerkes in Zusammenhang gebracht werden. Der dritte Teil beschäftigt sich mit möglichen Änderungen in der Topologie des Netzwerkes und deren Auswirkungen auf die Scopes. Es stellt sich heraus, dass die Synthesekapazitäten sich im allgemeinen sehr robust gegenüber solchen Veränderungen verhalten. Die Methodik ist im übrigen auch geeignet um Lücken im biochemischen Wissen aufzuspühren und dadurch die Kenntnisse über den Metabolismus zu erweitern. Außerdem zeigen die getätigten Analysen evolutionäre Ziele hinter der Konstruktion metabolischer Netzwerke auf.
description: In this work, the concept of scopes is introduced and applied to large scale metabolic networks. The scopes represent functional measures, describing the synthesizing capacity of a metabolic network if supplied with a predefined set of resources. For a given set of initial metabolites, the seed, all possible products are determined using the stoichiometric information of the network. Specifically, the organism independent KEGG reference network is analyzed. The first part of this work describes possible applications of the scopes, including the determination of the synthesizing capacities of different compounds and sets of compounds, the study of the effect of cofactors on the capacities of metabolic networks or the identification of possible nutrient sets required for the maintenance of a cell. In the second part, the scopes of different seed compounds are systematically analyzed and put in relation to one another. A hierarchy is generated representing the inclusion relations of the scopes. Interestingly, this hierarchy reflects the chemical composition, i.e. the chemical elements or chemical groups of the contained compounds. Scopes containing frequently used chemical elements or groups are represented by high degree nodes in this hierarchy. A subhierarchy of these characteristic scopes is described and brought in relation to the autotrophy of the network. In the third part, the effect of modifications in the topology of metabolic networks is analyzed. It turns out that the scopes are generally robust against the deletion of single and even multiple reactions. Also, the influence of limitations in the metabolic knowledge on the results is discussed and possibilities for improvements are indicated. The performed analyses reveal evolutionary objectives behind the construction of metabolic networks. In particular, hypotheses about design, autotrophy or robustness of metabolic networks can be inferred.