570 Biowissenschaften; Biologie
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Der Forschungsbereich der Systembiologie hat sich in den letzten Jahren mit unvergleichlicher Dynamik entwickelt und sich als interdisziplinäres Feld in den Biowissenschaften etabliert. Die Systembiologie verfolgt hierbei unter anderem das Ziel, biologische Systeme als Ganzes zu betrachten. Die analytische Erfassung der Stoffwechselzwischenprodukte, auch Metaboliten genannt, eröffnet hierbei neue Möglichkeiten. Metaboliten stellen Zwischenprodukte in vivo ablaufender biochemischer Reaktionen dar und stehen in enger Abhängigkeit zu Vorgängen, welche auf der Ebene von Transkriptom und Proteom gesteuert und ermöglicht werden. In dieser Arbeit wurden Zeitreihen von Metabolitkonzentrationen untersucht, welche im Rahmen von Fermentationsexperimenten mit dem nicht-pathogenen Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum erfasst worden sind. Die Fermentationsexperimente wurden auf unterschiedlichen Ausgangssubstraten durchgeführt, wobei die Erfassung der Metabolitkonzentration in äquidistanten zeitlichen Abständen gehandhabt wurde. Zur Korrektur von Messfehlern und zur optimalen Vorverarbeitung der Daten wurde ein maßgeschneidertes System der Datenprozessierung entwickelt. Eine unüberwachte Datenstrukturanalyse ergab, dass sich die Metaboliten ihrer zeitlichen Ausprägung nicht uniform oder gar zufällig verhalten, sondern sich in Gruppen unterschiedlichen Prozessverhaltens einordnen lassen. Diese unüberwachte Eingruppierung anhand der in den Zeitreihen vorhandenen Strukturen erlaubte eine erste grundlegende funktionelle Zuordnung der Metaboliten. Weiterhin konnten in den Konzentrationsdaten Strukturen gefunden werden, welche deutliche Übereinstimmungen mit den physiologischen Phasen des bakteriellen Wachstums zeigten. Die Analyse der Metabolomdaten wurde in einem nächsten Schritt durch eine theoretische Betrachtungsweise erweitert. Hierzu wurde der Stoffwechsel von C. glutamicum rechnergestützt modelliert. Zu diesem Zweck wurde eine Genomannotation durchgeführt, mit dem Ziel einen möglichst umfangreichen und qualitativ hochwertigen Katalog über das enzymatische Repertoire von C. glutamicum aus Sequenzinformation abzuleiten. Generiertes Wissen über vorhandene Enzyme wurde in biochemische Reaktionen übersetzt, welche zu Reaktionsnetzwerken zusammengefügt wurden. Die erzeugten Reaktionsnetzwerke wurden unter Verwendung graphentheoretischer Ansätze analysiert. Die integrative Analyse experimenteller und theoretischer Daten ergab, dass sich Eigenschaften von Metabolitzeitreihen deutlich topologischen Merkmalen zuordnen lassen. So zeigt sich beispielsweise, dass ein auffälliger Zusammenhang zwischen der experimentell erfassten Sensitivität im Konzentrationsverlauf eines Metaboliten und seinem theoretischen Verknüpfungsgrad existiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine hochsignifikante Prozessähnlichkeit zwischen Metaboliten sowohl in direkter Nachbarschaft als auch in größeren Reaktionsabständen auftreten kann, jedoch vorzugsweise dann existiert, wenn beide Metaboliten ihrerseits wenige Reaktionspartner haben. Die integrative Datenanalyse wurde in einem weiteren Schritt abermals erweitert, indem Transkriptominformation weiterer Studien integriert wurde. Im Detail wurde in dieser Analyse die Prozessähnlichkeit theoretisch benachbarter Metaboliten des Zentralstoffwechsels in Zusammenschau mit der Transkription enzymkodierender Gene untersucht. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass eine erhöhte Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten dann existiert, wenn die entsprechenden enzymkodierenden Gene in Abhängigkeit des verwendeten Ausgangssubstrates signifikant exprimiert waren. Somit konnte ein Zusammenhang zwischen der Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten in Abhängigkeit zur Genexpression als Resultat substratinduzierter Anpassungsvorgänge gezeigt werden. Es konnte folglich im systembiologischen Kontext belegt werden, dass auf der Ebene des Transkriptoms stattfindende Vorgänge sich deutlich bis in die Zeitreiheneigenschaften erfasster Metabolitkonzentrationen durchpausen können. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Berechnung paarweiser Prozessähnlichkeiten das Potenzial zur Charakterisierung der zugrundeliegenden Systemeigenschaften besitzt. So ermöglichte die Betrachtung paarweiser Prozessähnlichkeiten aus allen untersuchten Fermentationsexperimenten, signifikante substrat-induzierte Veränderungen als auch invariante Merkmale im Stoffwechsel von C. glutamicum zu detektieren.
Die Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie (Richtlinie 92/43/EWG) stellt derzeit das umfangreichste Instrument des internationalen Naturschutzes zur Erhaltung der europäischen Biodiversität dar. Das Grundkonzept der FFH-RL beruht hierbei sowohl auf dem Schutz gefährdeter Arten als auch auf dem Erhalt natürlicher Lebensräume. Dieser ganzheitliche Ansatz verursacht jedoch infolge der großen Anzahl zu berücksichtigender Schutzgüter einen hohen personellen wie finanziellen Aufwand bei der Umsetzung der Richtlinienvorgaben. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit am Beispiel der Schmetterlingsart Euphydryas aurinia (Anhang II FFH-RL) überprüft, inwieweit die Konzepte von ESUs (Evolutionarily Significant Units) und MUs (Management Units) geeignete Möglichkeiten bieten, um die Prioritätensetzung bei der Auswahl besonders schützenswerter Vorkommen gefährdeter Arten zu erleichtern. Zu diesem Zweck wurden mit drei verschiedenen Subspezies von E. aurinia (E. aurinia beckeri, E. aurinia debilis, E. aurinia aurinia) Fang-Markierung-Wiederfangstudien durchgeführt, sowie mit Hilfe von Allozym-Elektrophoresen populationsgenetische Parametern in europäischem Kontext und auf regionaler Ebene (Westtschechien) erfasst. Die drei untersuchten Subspezies zeigten hierbei spezifische ökologische Adaptationen an die jeweiligen Habitatbedingungen (z.B. bzgl. der Populationsdichte, Demographie und Mobilität). Ferner wiesen die genetischen Analysen starke Differenzierungen bei E. aurinia in Europa nach, die u.a. Antworten auf phylogeographische und taxonomische Fragestellungen ermöglichen. Auch auf regionaler Ebene (Westtschechien) konnten genetische Differenzierungen festgestellt werden. Auf Basis der erhobenen populationsökologischen und -genetischen Daten wird abschließend die generelle Anwendbarkeit und der Nutzen der Konzepte von ESUs und MUs bei der Etablierung von Schutzkonzepten für E. aurinia und andere Arten der FFH-RL diskutiert. rnDer zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich exemplarisch mit dem aktuellen Schutzverfahren für deutsche E. aurinia-Vorkommen im Rahmen der FFH-RL und den damit verbundenen Problemen. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Schutzgebietsauswahl, dem Monitoring und dem Gebietsmanagement. In diesem Kontext werden u.a. Problematiken angesprochen, die sich aus der großen ökologischen Variabilität der Art ergeben bzw. die aufgrund von Koordinierungsschwierigkeiten zwischen einzelnen Bundesländern bestehen. Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse werden Lösungsvorschläge unterbreitet, wie das aktuelle Schutzverfahren für E. aurinia in Deutschland weiter verbessert werden könnte.