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Model for spatiotemporal organization of biochemical circadian clocks

Jakovljevic, Ivona :
Model for spatiotemporal organization of biochemical circadian clocks.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Model for spatiotemporal organization of biochemical circadian clocks
Language: English
Abstract:

Present models for circadian rhythm generator are not sufficient to explain all the properties of a mechanism of circadian clocks. In this thesis, a new model is presented including a single element consisting of coupled genetic and metabolic oscillators and a net of such elements. The model investigates synchronisation in the net of elements influenced by variability or white noise due to the global and diffusive coupling and the possibility of entrainment of such nets with respect to external perturbations. Period of the single element is in endogenous region of circadian clocks if certain values of coupling parameter are applied. Synchronisation in the net of globally coupled elements influenced by variability is established for the critical coupling coefficient linearly dependant on variability strengths. Formation of spatial patterns is present in the net of diffusively coupled elements with variability and depends on the size of the net and the strength of variability. The optimal size of the net is taken in order to observe the patterns. Noise in mRNA concentration induces the variation of amplitudes for the variables of the metabolic oscillators, while the period of a single element is not perturbed. Synchronisation in the net influenced by noise is better achieved for the globally coupled elements. Entrainments are established for the single element and for the net of elements (with variability or noise) for all variables if the period of external perturbation corresponds to endogenous period (circa 24 hours) and the couplings are applied in the system. The variables of genetic oscillator are not entrained when the period is significantly different from endogenous period, indicating that metabolic oscillator is sensitive to environmental perturbations. Furthermore, differences are observed between two different couplings for both nets, since diffusive coupling is able to induce formation of spatial patterns.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wird ein Modell für zirkadiane Rhythmen untersucht. Chronobiologische Experimente zeigen, dass gegenwärtige Modelle nicht alle Eigenschaften zirkadianer Uhren erklären. Als Modell für eine endogene zirkadiane Uhr wird ein Einzelelement bestehend aus zwei gekoppelten biochemischen Oszillatoren (ein genetischer und ein metabolischer Oszillator) und ein Netz bestehend aus vielen gekoppelten Einzelelementen eingeführt. Es wird der Einfluss von Variabilität und Rauschen auf die Netzdynamik studiert. Die Frequenz des Einzelements ist im endogenen Bereich zirkadianer Uhren wenn bestimmte Werte des Kopplungsparameters angewendet werden. Synchronisation in einem Netz aus von Variabilität beeinflussten global gekoppelten Elementen wird für einen kritischen Kopplungskoeffizienten erreicht, der linear von der Variabilitätsstärke abhängt. Ein räumliche Musterbildung existiert in einem Netz aus diffus gekoppelten Elementen mit Variabilität und hängt von der Größe des Netzes und der Stärke der Variabilität ab. Die Amplituden der Variablen des metabolischen Oszillators sind vom Rauschen in der mRNA Konzentration beeinflusst. Gleichzeitig wird die Frequenz des Einzelelements nicht gestört. In einem Netz beeinflusst von Rauschen ist die Synchronisation besser wenn die Elemente global gekoppelt sind. Entrainments sind etabliert für ein Einzelelement und für ein Netz (mit Variabilität oder Rauschen) für alle Parameter, falls die Frequenz im endogenen Bereich ist (circa 24 Stunden) und die Kopplung im System angewendet wird. Es kommt nicht zum Entrainment der Variablen des genetischen Oszillators, wenn sich die Frequenz signifikant von der endogenen Frequenz unterscheidet. Dies zeigt dass der metabolische Oszillator sensitiver auf Umwelteinflüsse ist als der genetische Oszillator. Weiterhin treten Unterschiede zwischen verschiedenen Kopplungen für beide Netze auf, da diffuse Kopplung in der Lage ist Muster zu bilden.German
Uncontrolled Keywords: circadian oscillators, variability, noise
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
circadian oscillators, variability, noiseEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 10 May 2011 09:45
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25630
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kaiser, Prof. Dr. Friedemann and Drossel, Prof. Dr. Barbara
Refereed: 21 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2563
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