Dokument: Quantitative principles of optimal cellular resource allocation

Titel:	Quantitative principles of optimal cellular resource allocation
Weiterer Titel:	Quantitative Prinzipien einer optimalen zellulären Ressourcenzuweisung
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56127
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210507-113402-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	de Morais Dourado Neto, Hugo [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,29 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.04.2021 / geändert 28.04.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Lercher, Martin [Gutachter] Prof. Dr. Ebenhöh, Oliver [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke » 004 Datenverarbeitung; Informatik
Beschreibungen:	Diese Arbeit untersucht die mathematischen Implikationen der Annahme, dass die Ressourcenzuweisung in einzelligen Organismen durch natürliche Selektion für das Wachstum in festen Umgebungen optimiert wurde. In diesem idealisierten Szenario findet die regulatorische Evolution in einer konstanten Umgebung über einen ausreichend langen Zeitraum statt, um zu „perfekt“ angepassten Zellen zu führen, die nicht miteinander interagieren. In der Realität unterliegen Zellen sich ändernden Umgebungen, einschließlich Verschiebungen zu verschiedenen Nährstoffen, und es wird daher erwartet, dass sie nicht nur unter stationären Bedingungen, sondern allgemeiner in solchen sich ändernden Umgebungen unter natürlicher Selektion stehen. Einige einzellige Organismen zeigen auch kooperatives Verhalten, und in diesen Fällen könnte die mikrobielle Gemeinschaft als Ganzes besser als sich entwickelnde Einheit angesehen werden. Der hier vorgestellte theoretische Grundrahmen ist jedoch in der Lage, wichtige Aspekte der Zuweisung zellulärer Ressourcen in Übereinstimmung mit experimentellen Daten für E. coli vorherzusagen. Die entsprechende mathematische Theorie stellt einen wichtigen Schritt zur Simulation detaillierter nichtlinearer Zellmodelle im großen Maßstab dar, schlägt einen mechanistischen Ursprung für phänomenologische bakterielle „Wachstumsgesetze“ vor und klärt anhand erster Prinzipien, wie die Fitnesskosten und -nutzen von Zellkomponenten durch ihre bestimmt werden marginale Auswirkungen auf die Proteinallokation. Es wird gezeigt, dass diese Kosten und Nutzen, die die Zellökonomie bestimmen, in direktem Zusammenhang mit grundlegenden Konzepten der Stoffwechselkontrollanalyse stehen. Die Struktur dieser Arbeit ist wie folgt: Kapitel 1 stellt das Problem der Allokation zellulärer Ressourcen vor, gibt einen kurzen Überblick über die gängigsten Methoden zur Modellierung und Analyse des Zellwachstums, gibt die Ziele der Arbeit an und enthält einen Überblick über die wichtigsten Ergebnisse in den beiden Manuskripten, die den Hauptteil dieser Arbeit bilden und in Kapitel 2 vorgestellt werden. Eine abschließende Diskussion findet sich in Kapitel 3. This thesis explores the mathematical implications of assuming that resource allocation in unicellular organisms has been optimized by natural selection for growth in fixed environments. In this idealized scenario, regulatory evolution takes place in a constant environment for long enough periods of time to result in “perfectly” adapted cells that do not interact to each other. In reality, cells are subject to changing environments, including shifts to different nutrients, and are thus expected to be under natural selection not only in steady state conditions, but more broadly on such changing environments. Some unicellular organisms also show cooperative behaviour, and in those cases the microbial community as a whole might better be seen as an evolving unity. Still, the basic theoretical framework presented here is capable of predicting important aspects of cellular resource allocation, in agreement with experimental data for E. coli. The corresponding mathematical theory presents an important step toward simulations of detailed, large-scale nonlinear cell models, suggests a mechanistic origin for phenomenological bacterial “growth laws”, and clarifies from first principles how the fitness costs and benefits of cellular components are determined by their marginal effects on protein allocation. These costs and benefits, which govern the cellular economy, are shown to relate directly to fundamental concepts in Metabolic Control Analysis. The structure of this thesis is as follows: Chapter 1 introduces the problem of cellular resource allocation, presents a short review of the most common methods for modeling and analysis of cellular growth, states the aims of the thesis, and contains an overview of the main results in the two manuscripts that form the main body of this thesis, presented in Chapter 2. A final discussion is found in Chapter 3.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Informatik » Bioinformatik
Dokument erstellt am:	07.05.2021
Dateien geändert am:	07.05.2021
Promotionsantrag am:	12.09.2019
Datum der Promotion:	19.05.2020