Analyse der evolutiven Adaptation am Beispiel einer pyruvat-auxotrophen Escherichia coli-Mutante (Analysis of the Evolutive Adaptation of a Pyruvate-auxotrophic Escherichia coli Mutant)

Die biotechnische Herstellung von Substanzen mit Hilfe von Mikroorganismen ist ein wirtschaftlich wichtiges Einsatzgebiet der Systembiologie. In diesem Artikel wird ein pyruvat-auxotropher Escherichia coli-Stamm eingesetzt, um durch evolutive Adaptation alternative Stoffwechselwege zum Pyruvat zu aktivieren. Das Ergebnis der Experimente sind pyruvat-prototrophe Stämme, die mit ihren alternativen Stoffwechselwegen als Grundlage für Produktionstämme eingesetzt werden können, um später damit gezielt in diesen Wegen auftretende Zwischenprodukte industriell herzustellen. Mit Hilfe eines einfachen dynamischen Modells wird die evolutive Adaptation im Chemostat untersucht. Es können dabei Einstellregeln für die Zulaufkonzentration und Verdünnungsrate im Bioreaktor zur beschleunigten Gewinnung pyruvat-prototropher Stämme geschlussfolgert werden. Die Flussbilanzanalyse des metabolischen Netzwerkes des pyruvat-auxotrophen Stammes ergibt 20 verschiedene alternative Flussverteilungen. Zur übersichtlichen Darstellung solcher Flussverteilungen wird eine reduzierte Visualisierungsmethode vorgestellt.

The biotechnological production of substances with help of microorganisms is an economically important application of systems biology. In this paper a pyruvate-auxotrophic Escherichia coli-strain is utilized in order to activate alternative pyruvate synthesis pathways via evolutive adaptation. The outcome of the chemostat experiments are pyruvate-prototrophic strains. Due to the activated alternative synthesis pathways, these strains are a basis for future industrial production-strains in order to systematically produce the intermediate products on these pathways. By means of a simple dynamical model of a chemostat, the evolutive adaptation in chemostat mode is studied. Rules to adjust the feeding concentration and the dilution rate of the bioreactor could be obtained in order to accelerate the evolutive adaptation towards a pyruvate-prototrophic strain. A flux balance analysis of the metabolic network of the pyruvate-auxotrophic strain results in 20 different alternative pathways. For a well arranged presentation of those pathways a reduced visualization method is introduced.