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Autor: Marr, Carsten
Titel:Dynamische Prozesse auf abstrakten Graphen und biologischen Netzwerken
Dissertation:TU Darmstadt, Fachbereich Biologie, 2007

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marr07_1.pdf Teil I 1458694
marr07_2.pdf Teil II 4782874

Abstract auf Deutsch:


Netzwerke sind für das Verständnis vieler biologischer Prozesse von elementarer Bedeutung. Die Anwendung graphentheoretischer Methoden erstreckt sich auf Systeme sehr verschiedener Größenordnungen: von der Beschreibung ineinandergreifender Genregulationsmechanismen über die Architektur metabolischer Netze bis hin zu der Ausbreitung von Infektionskrankheiten. Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Topologie und Dynamik auf zwei Ebenen. Zum einen werden dynamische Sonden entwickelt und zur Analyse von Netzwerktopologien eingesetzt. Eine dieser Sonden vereinheitlicht zwei gut untersuchte, dynamische Modelle -- zelluläre Automaten und Boolesche Netze -- für beliebige Systemarchitekturen. Auf abstrakten, synthetischen Graphen lassen sich so die dynamischen Konsequenzen topologischer Modifikationen nachvollziehen. Für reale metabolische Netzwerke zeigt sich, dass die globale Struktur der Stoffwechselreaktionen die Regularisierung komplexer Dynamik befördert -- unabhängig von der spezifischen Netzwerkrepräsentation und der verwendeten Dynamik. Stationäre Metabolitenkonzentrationen, die sich in fast jedem Zellmodus in kurzer Zeit einregeln, werden so aus einer dynamischen Sicht auf das Gesamtsystem erklärt. Zum anderen verwenden wir Konzepte und Werkzeuge aus der Graphentheorie, um die Signaturen dynamischer Prozesse auf dem Genom von E. coli zu interpretieren. Das zentrale Ergebnis dieser Untersuchung ist die verteilte Kontrolle transkriptioneller Genregulation: Unter bestimmten Bedingungen wird sie verstärkt durch spezifische Transkriptionsfaktoren (digital), unter anderen Bedingungen durch die Veränderung der räumlichen DNA-Struktur (analog) vermittelt. Diese Eigenschaft des Regulationsapparates weist auf eine besondere genetische Anpassungsfähigkeit der Bakterien gegenüber Umweltveränderungen hin. Einschränkungen der Flexibilität der digitalen Komponente durch Adaption und, folglich, Mutationen können durch den regulierenden Einfluss der DNA-Strukturproteine, der analogen Komponente, ausgeglichen werden.


Abstract auf Englisch:

Networks are of crucial importance for the understanding of numerous biological processes. Hence, graph theoretical methods can be applied to systems of various scales: from the description of interacting gene regulatory mechanisms over the architecture of metabolic networks to the spread of contagious diseases. This work investigates the relation between topology and dynamics on two levels. On the one hand, dynamic probes are developed and applied in order to characterize network topologies. One of these probes unifies aspects of two well studied dynamic models -- cellular automata and Boolean networks -- for arbitrary architectures. A variaty of dynamical consequences induced by topological modifications are studied on abstract synthetic graphs. For real metabolic networks it is shown that the global structure of the metabolic reactions enhances the regularization of complex dynamics, independent of the specific network representation and dynamics applied. The steady states of metabolic fluxes, an ubiquitous feature of metabolism, are thus explained from a dynamical, system-wide view. On the other hand, we apply concepts and tools from graph theory to interpret the signatures of dynamical processes on the genome of E. coli. The result of this investigation is the distributed control of transcriptional gene regulation: depending on the genotypic conditions, regulation is mediated either by dedicated transcription factors (digital) of by the change of DNA conformation (analog), that is, DNA supercoiling. This property of the regulatory apparatus explains the genetic adaptability of bacteria to changing environmental conditions. Restrictions in the flexibility of the digital component through adaption and, consequently, mutations can be buffered by the regulatory impact of DNA structural proteins, the analog component of regulation.

Dokument aufgenommen :2007-06-21
URL:http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000830