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Computational and experimental investigation of the mechanisms involved in cellular water transport and (cat)ion homeostasis
Fröhlich, Martina

Main titleComputational and experimental investigation of the mechanisms involved in cellular water transport and (cat)ion homeostasis
Title variationsComputergestützte sowie experimentelle Untersuchungen von Mechanismen involviert in zellulärem Wassertransport und (Kat)ionenhomöostase
Author(s)Fröhlich, Martina
Place of birth: Frankfurt-Höchst
1. RefereeProf. Dr. Martin Vingron
Further Referee(s)Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp
Keywordssystems biology; parameter estimation; linear nonequilibrium-thermodynamics; aquaporin-2; cation homeostasis
Classification (DDC)570 Life sciences
518 Numerical analysis
SummaryMembranen sind mehr als einfache Barrieren zwischen Zellen und ihrer Umgebung. Sie dienen sowohl zum Schutz der Zelle, ermöglichen aber auch den Austausch von Substanzen. Für diese Arbeit wurden zwei Aspekte des Membrantransports untersucht, zum einen der Transport von Wasser und zum anderen der Transport von Ionen, insbesondere von Kationen.
Zur Untersuchung des Wassertransports wurden Säugernierenzellen als biologisches Modellsystem herangezogen. Es wurde ein Ansatz angewendet, der biologische Experimente mit der Generierung eines mathematischen Modells kombiniert. Dieser Ansatz wurde dazu verwendet, den intrazellulären Signalweg zu untersuchen, welcher die Menge des Wasserkanals Aquaporin-2 in der Membran der Nierenzellen reguliert. Aus Experimenten an Ratten- und Hundenierenzellen gewonnene Daten wurden zur Schätzung der Modellparameter herangezogen. Dies ermöglichte die Erstellung von spezies-spezifischen Modellen. Die Modelle wurden zur Untersuchung der zeitabhängigen Dynamik des Systems verwendet und wie folgt analysiert. Durch Eliminieren von Reaktionen und anschließender Parameterschätzung wurden verschiedene Modellvarianten generiert. Diese wurden, in Anhängigkeit davon, wie gut sie die biologischen Daten wiedergeben konnten, sortiert. Die Ergebnisse zeigten, dass in Nierenzellen unterschiedlicher Herkunft verschiedene Reaktionen wichtig sind und identifizierten jeweils diejenigen Reaktionen, die für das zeitabhängige Verhalten des Systems entscheidend sind. Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt und zeigte, dass Veränderungen in den direkt am Translokationsmechanismus beteiligten Reaktionen den größten Einfluss auf die zelluläre Verteilung von Aquaporin-2 haben. Basierend auf den Kenntnissen über Funktionsstörungen der Wasserhomöostase wurden medizinische Fallbeispiele erzeugt. Mithilfe des auf Hundenierenzellen basierenden Modells wurde eine für den jeweiligen Fall geeignete Behandlung identifiziert.
Da viele Membrantransportsysteme von Hefe sehr ähnlich zu denen höheren Organismen sind, wurde die Regulierung des Kationentransports in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Die Theorie der linearen Nichtgleichgewichtsthermodynamik wurde dazu verwendet, thermodynamische Modelle der Kationenhomöostase zu erstellen. Dieser Ansatz ermöglichte die Modellierung passiver Ionenflüsse angetrieben durch elektrochemische Potentialdifferenzen sowie primär und sekundär aktive Transportprozesse durch Symport, Antiport oder ATPasen. Biologische Daten für Kalium- und Protonenflüsse aus MIFE- und FLISE-Experimenten (nicht-invasive Techniken zur Messung von transmembranen Ionenflüssen wurden zur Schätzung der Modellparameter herangezogen. Das Modell wurde dazu verwendet, Vorhersagen über zusätzliche Ionenflüsse zu machen und identifizierte Chloridflüsse als mögliche Kandidaten. Die Trk1/2p- und Pma1p-Dynamik wurde in Mutations- und Inhibierungs Experimenten in silico untersucht. Des Weiteren wurde das Modell dazu genutzt, das Verhalten der Zellen bei aufeinanderfolgenden Salzstressen zu analysieren und sagte reduzierte Ionenflüsse bei Zellen mit einem höheren primären Stimulus voraus.
Die durchgeführten Untersuchungen verdeutlichen die Anwendbarkeit von mathematischer und thermodynamischer Modellierung auf Membrantransportprozesse. Die Vorhersagen des Modells bieten wertvolle Anhaltspunkte zur Planung und Durchführung zukünftiger Experimente.
Documents
PDF-Datei
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Number of pagesXV, 159 S.
FU DepartmentDepartment of Mathematics and Computer Science
Year of publication2013
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
Terms of use/Rights Nutzungsbedingungen
Date of defense2012-10-17
Created at2013-10-15 : 10:02:58
Last changed2013-10-15 : 10:03:39
 
Static URLhttp://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000095294
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000095294-2
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