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Metabolismus von C. elegans als mathematisches Modell

SystembiologieStoffwechselwege von C. elegans in silico

Systembiologen haben sämtliche bislang beschriebenen Stoffwechselwege des Modellorganismus Caenorhabditis elegans zusammengetragen und damit ein mathematisches Modell entwickelt. Es ist im Internet frei verfügbar und soll Forschungsarbeiten zur Entstehung von Krankheiten effizienter machen.

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Mit dem bloßen Auge in der Petrischale kaum zu sehen, aber für die Forschung enorm wichtig: Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU.

Der Kieler Bioinformatiker Dr. Christoph Kaleta, Professor für Medizinische Systembiologie an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität, und sein Team haben gemeinsam mit Kollegen der Universität Jena und der ETH Zürich den kompletten Metabolismus des Fadenwurms C. elegans in einem mathematischen Modell zusammengefasst. „ElegCyc“, so dessen Name, umfasst etwa 2000 Stoffwechselprozesse und steht Arbeitsgruppen aus der ganzen Welt für deren Forschungsfragen zur Verfügung.

Mit ElegCyc lassen sich sämtliche Stoffwechselwege des Fadenwurms „in silico“ – also am Computer – nachvollziehen und untersuchen. „Insbesondere können wir auch Vorhersagen treffen, wie sich bestimmte Änderungen – etwa in der Nahrungsaufnahme – auf das Wachstum, die Lebenserwartung oder die Entstehung von Krankheiten in diesem Organismus auswirken“, erläutert Kaleta, der bis 2014 als Juniorprofessor an der Uni Jena forschte und lehrte. Gemeinsam mit seiner früheren Arbeitsgruppe und Alternsforschern aus Jena und Zürich stellt er das Modell mit dem Namen „ElegCyc“ in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Cell Systems“ vor (DOI: 10.1016/j.cels.2016.04.017).

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In mühevoller Kleinarbeit haben die Forscher Datenbanken und Fachliteratur durchforstet und sämtliche bislang beschriebene Stoffwechselwege von C. elegans zusammengetragen. Insgesamt sind auf diese Weise knapp 2000 Stoffwechselprozesse erfasst und miteinander verknüpft worden. Herausgekommen ist ein komplexes Netzwerk, das die Lebensprozesse des Wurms detailliert aufzeigt und das die Wissenschaftler nun nach einzelnen Genen, Stoffwechselprodukten oder Reaktionen durchsuchen können. Der große Vorteil solch umfassender Computermodelle ist, dass sich damit auch sehr große Datenmengen analysieren lassen, sagt Juliane Gebauer vom Lehrstuhl für Bioinformatik der Uni Jena. „Moderne Hochdurchsatzverfahren, wie die RNA-Sequenzierung oder die Bestimmung der Konzentration von Stoffwechselprodukten liefern eine solche Fülle an Messdaten, die ohne entsprechende Modelle kaum sinnvoll zu nutzen wären“, so die Doktorandin, die Erstautorin der Veröffentlichung ist.

Dass ihr Modell diese Ansprüche erfüllt, konnten die Bioinformatiker in der nun vorgelegten Studie zeigen: Sie fütterten das Modell mit experimentellen Daten zum Alterungsprozess aus dem Jenaer Forschungskonsortiums JenAge. Vorausgegangen war ein Fütterungsexperiment mit C. elegans. Die Würmer erhielten drei unterschiedliche Substanzen zu fressen, von denen zwei bekanntermaßen die Lebensspanne verlängern. Zu insgesamt vier Zeitpunkten wurde die Aktivität der rund 20000 Gene von C. elegans bestimmt. Dank des Modells „ElegCyc“ spürten die Forscher aus dieser großen Zahl von Genen diejenigen Stoffwechselprozesse auf, die maßgeblich an der lebensverlängernden Wirkung der gefütterten Substanzen beteiligt sind.

In ihrer zukünftigen Arbeit wollen die Forscher ihr Modell verwenden, um die Wechselwirkung zwischen dem Wurm und seiner bakteriellen Flora im Darm besser zu verstehen. Da diese im Gegensatz zu der hochkomplexen Darmflora des Menschen bei dem Wurm sehr einfach ist, eignet sie sich besonders gut, um zu untersuchen, wie bestimmte Bakterienarten der Darmflora die Gesundheit als auch Krankheiten begünstigen. Aus diesen Arbeiten erhoffen sich die Forscher neue Einsichten in die Entstehung von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, die mit einem starken Ungleichgewicht in der Darmflora einhergehen.

Das Metabolismus-Modell von C. elegans ist im Internet frei zugänglich unter: http://elegcyc.bioinf.uni-jena.de:1100

Original-Publikation

Gebauer et al., A Genome-Scale Database and Reconstruction of Caenorhabditis elegans Metabolism, Cell Systems (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2016.04.017

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