SysCompart: New Technologies and Concepts for Studying and Modelling Eukayontic Metabolism Involved in Compartmentation

Das Projekt SysCompart hat zum Ziel, neue experimentelle Methoden und theoretische Konzepte zu systembiologischen Untersuchungen des Metabolismus in Zusammenhang mit der Kompartimentierung eukaryotischer Zellen zu entwickeln. Der Fokus dieses Projekts liegt auf der Untersuchung der in vivo Dynamik metabolischer Reaktionen der Glykolyse und des Zitratzyklus, welche in Zytosol und dem Mitochondrium stattfinden. Zur Bewältigung der Schwierigkeit der Kompartimentierung der Zelle werden insbesondere folgende neue experimentelle Methoden und Technologien entwickelt werden: (1) Ein automatisiertes System für die schnelle Probenahme und das Quenching für die quantitative Bestimmung der Metabolite im Zytosol und den Mitochondrien unter in vivo und dynamischen Bedingungen; (2) Neue Mikrosysteme für den zielgerichteten Zellaufschluss und die schnelle Separation der Organellen; (3) Innovative optische Methoden für Raum- und Zeit-abhängige Untersuchungen der Organellen und Enzyme; (4) Fortgeschrittene Methoden der in vivo Stoffflussanalyse mit ¹³C Markierung zur Bestimmung von Stoffwechselvorgängen in den Kompartimenten. Desweiteren sollen neue Konzepte und Modelle entwickelt werden für: (1) in vivo Kinetiken von Schlüsselenzymen des Metabolismus der Mitochondrien; (2) Simulation der Zellen und Organellen als Partikel in mikrofluidischen Systemen; (3) Molekulare Modellierung von Proteinen und Prozessen an Grenzflächen; (4) Modellierung von stationären und dynamischen Zuständen isotopischer Netzwerke für die Beurteilung der Konzentrationen und Stoffflüsse in den Kompartimenten. Diese neuen Technologien und Modellierungskonzepte werden gemeinsam mit allen Projektpartnern entwickelt und ganzheitlich auf die Kompartimentierung des Metabolismus am Beispiel von Pyruvat und des Zitratzyklus angewendet – Eine Schlüsselfrage in der Biologie mit großer Bedeutung sowohl für die Biotechnology als auch für die Biomedizin.

Stichworte

• Prozesssimulation
• Zellkultur

Publikationen

• Rajabi, Negar and Hoffmann, Marko and Bahnemann, Janina and Zeng, An-Ping and Schlüter, Michael and Müller, Jörg: A Chaotic Advection Enhanced Microfluidic Split-and-Recombine Mixer for the Preparation of Chemical and Biological Probes JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN, 45: S. 703--707, 2012.
• Bahnemann, J and Rajabi, N and Fuge, G and Barradas, O P and Müller, J and Pörtner, R and Zeng, A P: A New Integrated Lab-on-a-Chip System for Fast Dynamic Study of Mammalian Cells under Physiological Conditions in Bioreactor Cells, 2(2): S. 349--360, 2013.
• Kayo, S and Bahnemann, J and Klauser, M and Portner, R and Zeng, A P: A microfluidic device for immuno-affinity-based separation of mitochondria from cell culture Lab Chip, 13(22): S. 4467-4475, 2013.
• Bahnemann, Janina and Kayo, Sabrina and Wahrheit, Judith and Heinzle, Elmar and Pörtner, Ralf and Zeng, An-Ping: In search of an effective cell disruption method to isolate intact mitochondria from Chinese hamster ovary cells Engineering in Life Sciences, 14(2): S. 161-169, 2014.
• Rajabi, Negar and Bahnemann, Janina and Tzeng, Tzu-Nen and Platas Barradas, Oscar and Zeng, An-Ping and Müller, Jörg: Lab-on-a-chip for cell perturbation, lysis, and efficient separation of sub-cellular components in a continuous flow mode Sensors and Actuators A: Physical, 215: S. 136--143, aug 2014.
• Wurm, M and Zeng, A P: Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics Lab Chip, 12(6): S. 1071--1077, 2012.
• Nicolae, A and Wahrheit, J and Bahnemann, J and Zeng, A P and Heinzle, E: Non-stationary 13C metabolic flux analysis of Chinese hamster ovary cells in batch culture using extracellular labeling highlights metabolic reversibility and compartmentation BMC Syst Biol, 8(1): S. 50, 2014.
• Platas Barradas, Oscar and Jandt, Uwe and Becker, Max and Bahnemann, Janina and Pörtner, Ralf and Zeng, An-Ping: Synchronized mammalian cell culture: Part I-A physical strategy for synchronized cultivation under physiological conditions Biotechnology progress, 2014.