Μελέτη μοντελοποίησης του μεταβολικού δικτύου της ελαιοκράμβης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις βασικές αρχές της μεταβολικής μηχανικής και της ανάλυσης μεταβολικών ροών με ισοτοπική ιχνηθέτηση. Στη συνέχεια και με την αξιοποίηση δεδομένων μεταβολικών μετρήσεων επιχειρείται η δόμηση του μεταβολικού μοντέλου της ελαιοκράμβης. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ιστορική εξέλιξη της μεταβολικής μηχανικής, εξηγούνται βασικές έννοιες αυτής (όπως είναι η μεταβολική ροή και το μεταβολικό μονοπάτι) και γίνεται λόγος για τη σημαντικότητα του κλάδου. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται επισκόπηση του κυτταρικού μεταβολισμού, με έμφαση στην ενέργεια, και περιγράφεται η λειτουργία των μεταβολικών μονοπατιών της γλυκόλυσης και της φωσφορικής πεντόζης, του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος και της αναπνοής. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η θεωρία της ανάλυσης μεταβολικών ροών (MFA) και εξηγούνται οι αδυναμίες αυτής έναντι της MFA με ισοτοπική ιχνηθέτηση (και συγκεκριμένα 13C MFA) η οποία περιγράφεται στο τέταρτο κεφάλαιο, στο οποίο επίσης εξηγείται ο τρόπος διάδοσης του ιχνηθέτη στα βιολογικά συστήματα και πώς μπορούν να ληφθούν ποσοτικά πειραματικά δεδομένα μέσω μετρήσεων NMR και MS. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται το υπολογιστικό πλαίσιο για την MFA και περιγράφεται περιληπτικά η λειτουργία των 13C-FLUX και FiatFLux, ενώ γίνεται αναλυτική αναφορά για το OpenFLUX το οποίο χρησιμοποιείται στην εργασία αυτή. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος δόμησης του μεταβολικού μοντέλου της ελαιοκράμβης το οποίο αποτελείται από 310 αντιδράσεις. Τα τμήματα του μεταβολισμού που λαμβάνονται υπ' όψιν είναι η γλυκόλυση, το μονοπάτι της φωσφορικής πεντόζης – κύκλος του Calvin, ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος, και η βιοσύνθεση λιπαρών οξέων και αμινοξέων. Στο τέλος αναφέρονται συμπεράσματα.

This diploma thesis addresses the basic principles of metabolic engineering and metabolic flux analysis with isotope labeling. Then, using metabolic measurements data, it is attempted to construct the metabolic model of rapeseed (Brassica napus). More specifically, in the first chapter the historical development of metabolic engineering is presented, basic concepts are explained (such as metabolic flux and metabolic pathway) and refers to the importance of metabolic engineering. The second chapter gives an overview of cell metabolism, with emphasis on energy, and describes the function of metabolic pathways of glycolysis and pentose phosphate, the tricarboxylic acid cycle and respiration. The third chapter describes the theory of metabolic flux analysis (MFA) and its weaknesses compared to MFA with isotope labeling (ie 13C MFA) which is described in chapter four, in which is also explained how the tracer spreads in biological systems and how to take quantitative experimental data measured by NMR and MS. The fifth chapter deals with the computational framework for MFA, outlines the function of 13C-FLUX and FiatFLux, while there is a detailed reference for OpenFLUX, which is used in this work. The sixth and final chapter describes how the metabolic model of rapeseed is structured, which consists of 310 reactions. The parts of metabolism taken into account are glycolysis, the pentose phosphate pathway – Calvin cycle, the tricarboxylic acid cycle, and biosynthesis of fatty acids and amino acids. In the end, conclusions are mentioned.