Publikation: A Mathematical Model for Trehalose Uptake in the Thermophilic Bacterium Rhodothermus marinus
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Zusammenfassung
The aim of this work was to elucidate the mechanism of trehalose
uptake in the thermophilic halophilic bacterium Rhodothermus marinus.
Mathematical modeling was employed to translate chemical networks describing
subsystems of the postulated trehalose uptake mechanism into coupled
differential equations. Analytical functions resulting from these differential
equations were used for a multidimensional least-squares fit to experimental
data, thus yielding values for fit parameters and serving as a test to
decide between two models. The data used were kindly provided by Carla Jorge
from the laboratory of
Prof. Dr. Helena Santos at the Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica (ITQB)
in Oeiras, Portugal.
Several data sets contributed information to resolve the issue: the experimental
data consist of measurements of the uptake rate for radioactive
glucose analyzed in chapter 2, measurements of glucose release into the medium
due to in vivo trehalase activity
dealt with in chapter 3, uptake data for radioactive trehalose modeled in
chapters 4 and 5, and cross-inhibition experiments with glucose and trehalose
simulated in chapter 6. In addition to these, in vitro inhibition
experiments with purified trehalase have shown that glucose inhibits trehalase
activity with a K_i of 12 mM.
We have proposed two models for trehalose uptake: model 1 consists of a diffusion
channel for glucose and trehalose in the outer membrane, a periplasmic trehalase
cleaving incoming trehalose into two units of glucose, and a glucose transporter
in the cytoplasmic membrane. Model 2 contains an additional trehalose transporter
in the inner membrane.
Since the glucose transport system is a functionally independent part of both
trehalose uptake models, the parameters obtained by fitting the glucose uptake
data alone can be used for the fit of the trehalose uptake
and enzymatic cleavage data. To describe the in vivo trehalase data four
additional parameters are needed. The same four parameters are used in model 1
for trehalose uptake; model 2 contains two more. Both experimental curves have to
be fitted together, since the same set of parameters has to describe both
measurements.
One of the remaining parameters, z_2, can be
calculated from the K_i for the in vitro glucose inhibition of trehalase
mentioned above and the K_m {gt} of
the glucose transporter in the cytoplasmic membrane found in chapter 2.8.
The theories for enzymatic cleavage and trehalose uptake provide restrictions
coupling the remaining fit parameters to the kinetic parameters
K_m e and V_{max} e from the enzyme curve and K_m {tr} and V_{max} {tr}
(model 1) or K_m {su} and V_{max}{su} (model 2) from the trehalose uptake
curve, for which we obtain an approximation
by fitting a Michaelis-Menten function through the data. These restrictions
together suffice to calculate all fit parameters in model 1, for model two an
additional scan over z_6 is needed.
By optimizing the four kinetic parameters
using model 2 we have obtained a fit that describes all measurements. Model 1
can either fit the cleavage data or the high concentration trehalose uptake data,
but not both, and is unable to describe the trehalose uptake measurements at low
substrate concentrations. The inability of model one to coherently describe
all experimental findings shows the necessity of the additional threhalose
transporter distinguishing model 1 from model 2.
In order to further validate the model we have used the parameters from the
glucose fit and from model 2 to simulate an
inhibition experiment with a constant concentration of the substrate trehalose
and increasing concentrations of the inhibitor glucose. The simulation
shows that in model 2 glucose inhibits the uptake of trehalose considerably in
the range of high trehalose concentrations, but at low trehalose concentrations
even a very high concentration of glucose causes only a slight inhibiting effect.
This observation is due to the fact that the dominant uptake pathway at
low trehalose concentrations is the direct trehalose transporter which is not
inhibited by glucose in our model.
The result of the simulation is in qualitative agreement with experimental
findings, but those show a tenfold inhibition of
trehalose uptake already at the low concentration of 1 µM. To be able to
theoretically reproduce this experimental result quantitatively, an extension of
the model network by a glucose mediated inhibition of the trehalose transporter
in the cytoplasmic membrane should be adressed in further investigations.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der
Aufklärung des Mechanismus der Trehaloseaufnahme des thermophilen,
halophilen Bakteriums Rhodothermus marinus. Verschiedene chemische
Netzwerke des postulierten Aufnahmemechanismus wurden via
mathematischer Modellierung in Systeme gekoppelter
Differentialgleichungen übersetzt. Sich daraus ergebende analytische
Funktionen wurden für einen mehrdimensionalen Fehlerquadratsummenfit an
experimentelle Daten verwendet. Mithilfe dieser Fits kann zwischen
verschiedenen Modellen unterschieden werden. Die hier verwendeten
Daten wurden freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Carla Jorge
am ITQB in Oeiras, Portugal.
Verschiedene Datensätze leisten eine Beitrag zur Klärung obiger
Fragestellung: Die experimentellen Daten bestehen aus Messungen der
Aufnahmerate radioaktiver Glukose, die in Kapitel 2 analysiert werden.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit Messungen der Glukosefreisetzung ins
Medium aufgrund von in vivo Trehalaseaktivität. Aufnahmedaten
radioaktiver Trehalose werden in den Kapiteln 4 und 5 modelliert,
gefolgt von Simulationen von Kreuzinhibitionsexperimenten in
Kapitel 6. Zusätzlich zu Diesen haben in vitro Inhibitionsexperimente
mit gereinigter Trehalase gezeigt, dass Glukose die Trehalaseaktivität
mit einer K_i von 12mM inhibiert.
Zwei Modelle für die Trehaloseaufnahme wurden vorgeschlagen: Modell 1
besteht aus einem Diffusionskanal für Glukose und Trehalose in der
Außenmembran, einer periplasmatischen Trehalase, und einem
Glukosetransporter in der Cytoplasmamembran. Modell 2 enthält einen
zusätzlichen Trehalosetransporter in der Innenmembran. Das
Glukosetransportsystem stellt einen funktionell unabhängigen Teil
beider Modelle dar. Dadurch können die aus den Glukoseaufnahmedaten
gewonnenen Fitparameter für den Fit der Daten der Trehaloseaufnahme
sowie der enzymatischen Spaltung verwendet werden. Zur Beschreibung
der in vivo Trehalasedaten werden vier weitere Parameter
benötigt. Dieselben vier Parameter werden für die Trehaloseaufnahme
nach Modell 1 benutzt; Modell 2 enthält zwei weitere Parameter. Beide
experimentell gemessenen Kurven müssen simultan gefittet werden, da
ein Parametersatz beide Messungen (Trehaloseaufnahme, enzymatische
Spaltung) beschreiben muss.
Einer der verbleibenden Parameter, z_2, kann aus der K_i der oben
erwähnten in vitro Glukoseinhibition von Trehalase, sowie aus der in
Kapitel 2.8 berechneten K_m{gt} des Glukosetransporters in der
Cytoplasmamembran berechnet werden. Die Theorien der enzymatischen
Spaltung und der Trehaloseaufnahme liefern Einschränkungen, die die
verbleibenden Fitparameter an die kinetischen Parameter K_me,
V_{max}e der Enzymkurve und K_m{tr}, V_max{tr} (Modell 1) oder
K_m{su}, V_max{su} (Modell 2) der
Trehaloseaufnahmekurve koppelt. Für diese Parameter erhalten wir eine
Approximation durch Fitten einer Michaelis-Menten Funktion an die
Daten. Diese Beschränkungen reichen aus, um alle Fitparameter von
Modell 1 zu berechnen; für Modell 2 ist ein zusätzlicher Scan über z_6
notwendig.
Unter Verwendung von Modell 2 wurde durch Optimierung der vier
kinetischen Parameter ein Fit errechnet, der alle Messungen beschreibt.
Modell 1 kann entweder die Daten der enzymatischen Spaltung, oder die
Trehaloseaufnahmedaten bei hoher Konzentration beschreiben, nicht
jedoch beide Experimente gemeinsam. Zudem ist es mit diesem Modell
nicht möglich die Messungen der Trehaloseaufnahme bei niedrigen
Konzentrationen zu beschreiben. Die Unf"ahigkeit von Modell 1,
sämtliche experimentellen Befunde schlüssig erklären zu können, zeigt
die Notwendigkeit eines zusätzlichen Trehalosetransporters, der Modell
1 von Modell 2 unterscheidet.
Zur weiteren Bestätigung des Modells wurden die Parameter des
Glukosefits sowie von Modell 2 benutzt um ein Inhibitionsexperiment zu
simulieren. Die Konzentration des Substrats Trehalose ist hierbei
konstant, während die Konzentration des Inhibitors Glukose ansteigt.
Die Simulation zeigt dass Glukose im Modell 2 die Aufnahme von
Trehalose bei hohen Trehalosekonzentrationen wesentlich inhibiert,
während bei niedrigen Trehalosekonzentrationen selbst eine sehr hohe
Glukosekonzentration nur einen geringen inhibitorischen Effekt hat.
Diese Beobachtung beruht auf der Tatsache, dass bei niedrigen
Trehalosekonzentrationen der dominante Aufnahmeweg über den direkten
Trehalosetransporter führt, der in diesem Modell nicht durch Glukose
inhibiert wird.
Die Ergebnisse der Simulation stimmen qualitativ mit den
experimentellen Daten überein, wobei letztere schon bei der geringen
Konzentration von 1 µM eine Inhibition der Trehaloseaufnahme um den
Faktor zehn zeigen. Um diese experimentellen Resultate mithilfe
der Theorie quantitativ zu erklären, wird eine Erweiterung des
Modellnetzwerks um eine durch Glukose vermittelte Inhibition des
Trehalosetransporters in der Cytoplasmamembran vorgeschlagen.
Fachgebiet (DDC)
Schlagwörter
Konferenz
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Zitieren
ISO 690
HENDEKOVIC, Irena, 2006. A Mathematical Model for Trehalose Uptake in the Thermophilic Bacterium Rhodothermus marinus [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
@phdthesis{Hendekovic2006Mathe-7557, year={2006}, title={A Mathematical Model for Trehalose Uptake in the Thermophilic Bacterium Rhodothermus marinus}, author={Hendekovic, Irena}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }
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Analytical functions resulting from these differential<br />equations were used for a multidimensional least-squares fit to experimental<br />data, thus yielding values for fit parameters and serving as a test to<br />decide between two models. The data used were kindly provided by Carla Jorge<br />from the laboratory of<br />Prof. Dr. Helena Santos at the Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica (ITQB)<br />in Oeiras, Portugal.<br /><br />Several data sets contributed information to resolve the issue: the experimental<br />data consist of measurements of the uptake rate for radioactive<br />glucose analyzed in chapter 2, measurements of glucose release into the medium<br />due to in vivo trehalase activity<br />dealt with in chapter 3, uptake data for radioactive trehalose modeled in<br />chapters 4 and 5, and cross-inhibition experiments with glucose and trehalose<br />simulated in chapter 6. In addition to these, in vitro inhibition<br />experiments with purified trehalase have shown that glucose inhibits trehalase<br />activity with a K_i of 12 mM.<br /><br />We have proposed two models for trehalose uptake: model 1 consists of a diffusion<br />channel for glucose and trehalose in the outer membrane, a periplasmic trehalase<br />cleaving incoming trehalose into two units of glucose, and a glucose transporter<br />in the cytoplasmic membrane. Model 2 contains an additional trehalose transporter<br />in the inner membrane.<br />Since the glucose transport system is a functionally independent part of both<br />trehalose uptake models, the parameters obtained by fitting the glucose uptake<br />data alone can be used for the fit of the trehalose uptake<br />and enzymatic cleavage data. To describe the in vivo trehalase data four<br />additional parameters are needed. The same four parameters are used in model 1<br />for trehalose uptake; model 2 contains two more. Both experimental curves have to<br />be fitted together, since the same set of parameters has to describe both<br />measurements.<br /><br />One of the remaining parameters, z_2, can be<br />calculated from the K_i for the in vitro glucose inhibition of trehalase<br />mentioned above and the K_m {gt} of<br />the glucose transporter in the cytoplasmic membrane found in chapter 2.8.<br />The theories for enzymatic cleavage and trehalose uptake provide restrictions<br />coupling the remaining fit parameters to the kinetic parameters<br />K_m e and V_{max} e from the enzyme curve and K_m {tr} and V_{max} {tr}<br />(model 1) or K_m {su} and V_{max}{su} (model 2) from the trehalose uptake<br />curve, for which we obtain an approximation<br />by fitting a Michaelis-Menten function through the data. These restrictions<br />together suffice to calculate all fit parameters in model 1, for model two an<br />additional scan over z_6 is needed.<br /><br />By optimizing the four kinetic parameters<br />using model 2 we have obtained a fit that describes all measurements. Model 1<br />can either fit the cleavage data or the high concentration trehalose uptake data,<br />but not both, and is unable to describe the trehalose uptake measurements at low<br />substrate concentrations. The inability of model one to coherently describe<br />all experimental findings shows the necessity of the additional threhalose<br />transporter distinguishing model 1 from model 2.<br /><br />In order to further validate the model we have used the parameters from the<br />glucose fit and from model 2 to simulate an<br />inhibition experiment with a constant concentration of the substrate trehalose<br />and increasing concentrations of the inhibitor glucose. The simulation<br />shows that in model 2 glucose inhibits the uptake of trehalose considerably in<br />the range of high trehalose concentrations, but at low trehalose concentrations<br />even a very high concentration of glucose causes only a slight inhibiting effect.<br />This observation is due to the fact that the dominant uptake pathway at<br />low trehalose concentrations is the direct trehalose transporter which is not<br />inhibited by glucose in our model.<br /><br />The result of the simulation is in qualitative agreement with experimental<br />findings, but those show a tenfold inhibition of<br />trehalose uptake already at the low concentration of 1 µM. To be able to<br />theoretically reproduce this experimental result quantitatively, an extension of<br />the model network by a glucose mediated inhibition of the trehalose transporter<br />in the cytoplasmic membrane should be adressed in further investigations.</dcterms:abstract> <dc:language>eng</dc:language> <dc:rights>terms-of-use</dc:rights> <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/7557/1/Hendekovic.pdf"/> <dcterms:issued>2006</dcterms:issued> <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/28"/> <dc:format>application/pdf</dc:format> <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/> <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/> <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/7557"/> </rdf:Description> </rdf:RDF>