Systems biology in Bacillus subtilis

Abstract

Die Systembiologie untersucht die Entstehung von komplexen Verhalten aufgrund von Interaktionen der verschiedenen Arten von biologischen Molekülen. Es nähert sich diesen Fragen mit einer Kombination aus High-Throughput-Experimente, mathematische und numerische Modelle und Informationen aus speziellen Datenbanken. Diese Arbeit hat einen besonderen Schwerpunkt auf dem Bodenbakterium Bacillus subtilis. Dieses Bakterium wurde zum Modellorganismus für die Gram-positiven Bakterien durch seine natürliche Kompetenz, sein einfaches Differenzierungsprogramms und die einfache Handhabung im Labor. Es wird auch in biotechnologischen Prozessen zur Enzym-und Vitamin-Produktion verwendet und dient als Modell für verschiedene pathogene Gram-positive Bakterien wie Staphylococcus aureus und Bacillus anthracis. Zu Beginn dieser Arbeit waren die Informationen über die Gene, Proteine und Stoffwechselwegen von B. subtilis in sehr verschiedenen Datenbanken und der wissenschaftlichen Literatur verbreitet. Darüber hinaus waren die Informationen in den meisten Datenbanken von schlechter Qualität, oder wurden mehrere Jahre nicht aktualisiert. Dies behinderte die Entwicklung von systembiologischen Modellen, sowie die Arbeit im Labor. Zur Lösung dieses Problems wurden SubtiWiki und SubtiPathways erstellt. SubtiWiki (http://subtiwiki.uni-goettingen.de) ist ein Wiki für alle Gene und Genprodukte von B. subtilis. Seine Ähnlichkeit mit Wikipedia macht es einfach zu bedienen und zu aktualisieren, auch durch neue Nutzer. Jede Seite des Wikis ist so strukturiert, dass die wichtigsten Informationen schnell zu finden und mit anderen Seiten und externen Datenbanken verbunden sind. SubtiPathways (http://subtipathways.uni-goettingen.de) ist eine Sammlung der wichtigsten Stoffwechselwege von B. subtilis, zusammen mit den Enzymen und deren Regulation. Die Website besteht aus mehreren Stoffwechsel-Diagrammen, die mit CellDesigner, ein beliebtes Programm aus der Systembiologie-Community, erstellt wurden. Diese Diagramme wurden mit einer Benutzeroberfläche, basierend auf Google Maps, erweitert. Die Proteine und Metaboliten wurden mit externen Datenbanken verlinkt, wie SubtiWiki, der Protein Data Bank und die PubChem Datenbank. Zur Förderung der Nutzung der Navigationsfunktionen von SubtiPathways wurde der CellPublisher Webserver erstellt (http://cellpublisher.gobics.de). Es erlaubt jedem Benutzer, CellDesigner Diagramme hochzuladen, die dann mit den Google Maps-basierten Funktionen navigierbar sind. Diese Arbeit beschäftigt sich auch mit der Analyse von Modellen des Stoffwechsels auf Genomebene. Diese Modelle sind derzeit für mehrere Organismen (einschließlich B. subtilis) erhältlich und bestehen aus einer Liste aller Stoffwechselreaktionen, mit den richtigen stöchiometrischen Koeffizienten, in einem Computer lesbaren Format. In dieser Studie wurde ein Computerprogramm namens SPABBATS entwickelt, welches diese Modelle verwendet, um eine Liste von alternativen Stoffwechselwegen zwischen Metaboliten zu extrahieren. SPABBATS wurde erfolgreich für die Charakterisierung von Suppressormutanten von B. subtilis angewandt. Die erstellten Software-Tools können leicht für die systembiologische Forschung in anderen Organismen verwendet werden, sowie in verwandten Bereichen, wie synthetische Biologie und Metabolic Engineering.