A systematic investigation into the quantitative effect of pH changes on the upper glycolytic enzymes of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae
Date
2018-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Kinetic modelling of biological phenomena in an attempt to understand the underlying
dynamics and complexity of life is becoming an indispensable tool to systems
biology. A new paradigm of mathematical and computational integration of experimental
data has shifted the focus in biological sciences from mere characterisation
and cataloguing of the components of life, to a more holistic view. The functioning of
these components in dynamic interactions in non-linear biochemical networks is now
a major field of interest for many biologists. Classically, enzyme kinetic assays are
optimised for yielding the maximal activity of the enzyme of interest. This raises the
question of how applicable the obtained kinetic parameters are for systems biology,
especially when considering how the intracellular reality (in terms of pH and ionic
strength and composition) affects the catalytic activity of enzymes in vivo. Another
concern is how accurate and predictive the kinetic models, constructed from such obtained
data, can be. Much effort has been directed towards the standardisation of
enzyme kinetics for systems biology and in vivo-like assay media have been developed
for the determination of enzyme kinetic parameters in both Escherichia coli and Saccharomyces
cerevisiae. However, the effect of pH changes on kinetic parameters of
enzymes, has been somewhat neglected in systems biology studies. With this in mind
we investigated the quantitative effects elicited by pH changes on the upper glycolytic
enzymes in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae using NMR spectroscopy.
This is especially important as recent studies have shown that intracellular pH, while
remaining a tightly homeostatically controlled parameter, is not as constant as once
thought and has been shown to vary in response to environmental perturbation. The
investigation focused on parameter estimation and the unique identifiability of the
estimated parameters. The main aim of this project is the development of a robust,
reliable technique for parameter identification from experimental data using mathematical
and computational approaches.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In ’n poging om die onderliggende dinamika en kompleksiteit van die lewe beter te verstaan, raak kinetiese modellering van biologiese fenomene ’n onontbeerlike instrument vir sisteembiologie. ’n Nuwe paradigma van wiskundige en rekenaarmatige integrasie van eksperimentele data het die fokus in biologiese wetenskappe verskuif van blote karakterisering en katalogisering van die komponente van die lewe, na ’n meer holistiese siening. Die funksionering van hierdie komponente in dinamiese interaksies in nie-lineêre biochemiese netwerke raak ’n belangrike navorsingsveld vir baie bioloë. Histories is ensiem-kinetiese essai’s geoptimeer vir maksimale aktiwiteit van die betrokke ensiem. Dit laat die vraag ontstaan hoe toepasbaar die verkrygde kinetiese parameters is in terme van sisteembiologie, veral as in ag geneem word hoe die intrasellulêre werklikheid (in terme van pH en ioniese sterkte en samestelling) die katalitiese aktiwiteit van ensieme in vivo beïnvloed. ’n Verdere bekommernis is die akkuraatheid en voorspellingsvermoë van kinetiese modelle wat op grond van sulke data saamgestel is. Onlangs is beduidende pogings aangewend om ensiemkinetika vir sisteembiologie te standaardiseer, en essai-media wat in vivo toestande naboots is ontwikkel vir die bepaling van ensiem-kinetiese parameters in beide Escherichia coli en Saccharomyces cerevisiae. Die effek van pH-veranderinge op kinetiese parameters van ensieme is egter ietwat verwaarloos in sisteembiologiese studies. Met hierdie in gedagte het ons die kwantitatiewe effekte van pH veranderinge op die boonste glikolitiese ensieme in Escherichia coli en Saccharomyces cerevisiae met behulp van KMR spektroskopie bepaal. Dit is veral belangrik aangesien onlangse studies getoon het dat intrasellulêre pH, terwyl dit ’n streng homeostatiese beheerde parameter bly, nie so konstant bly as voorheen gedink is nie, en dat dit kan verander in respons op versteurings in die omgewing. Hierdie studie het gefokus op beraming van ensiem-kinetiese parameters asook die bepaling van die unieke identifiseerbaarheid van hierdie parameters. Die hoofdoel van hierdie projek is die ontwikkeling van ’n robuuste, betroubare tegniek vir parameterbepaling vanaf eksperimentele data deur gebruik te maak van wiskundige en rekenaarmatige tegnieke.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In ’n poging om die onderliggende dinamika en kompleksiteit van die lewe beter te verstaan, raak kinetiese modellering van biologiese fenomene ’n onontbeerlike instrument vir sisteembiologie. ’n Nuwe paradigma van wiskundige en rekenaarmatige integrasie van eksperimentele data het die fokus in biologiese wetenskappe verskuif van blote karakterisering en katalogisering van die komponente van die lewe, na ’n meer holistiese siening. Die funksionering van hierdie komponente in dinamiese interaksies in nie-lineêre biochemiese netwerke raak ’n belangrike navorsingsveld vir baie bioloë. Histories is ensiem-kinetiese essai’s geoptimeer vir maksimale aktiwiteit van die betrokke ensiem. Dit laat die vraag ontstaan hoe toepasbaar die verkrygde kinetiese parameters is in terme van sisteembiologie, veral as in ag geneem word hoe die intrasellulêre werklikheid (in terme van pH en ioniese sterkte en samestelling) die katalitiese aktiwiteit van ensieme in vivo beïnvloed. ’n Verdere bekommernis is die akkuraatheid en voorspellingsvermoë van kinetiese modelle wat op grond van sulke data saamgestel is. Onlangs is beduidende pogings aangewend om ensiemkinetika vir sisteembiologie te standaardiseer, en essai-media wat in vivo toestande naboots is ontwikkel vir die bepaling van ensiem-kinetiese parameters in beide Escherichia coli en Saccharomyces cerevisiae. Die effek van pH-veranderinge op kinetiese parameters van ensieme is egter ietwat verwaarloos in sisteembiologiese studies. Met hierdie in gedagte het ons die kwantitatiewe effekte van pH veranderinge op die boonste glikolitiese ensieme in Escherichia coli en Saccharomyces cerevisiae met behulp van KMR spektroskopie bepaal. Dit is veral belangrik aangesien onlangse studies getoon het dat intrasellulêre pH, terwyl dit ’n streng homeostatiese beheerde parameter bly, nie so konstant bly as voorheen gedink is nie, en dat dit kan verander in respons op versteurings in die omgewing. Hierdie studie het gefokus op beraming van ensiem-kinetiese parameters asook die bepaling van die unieke identifiseerbaarheid van hierdie parameters. Die hoofdoel van hierdie projek is die ontwikkeling van ’n robuuste, betroubare tegniek vir parameterbepaling vanaf eksperimentele data deur gebruik te maak van wiskundige en rekenaarmatige tegnieke.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Glycolytic enzymes, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, pH changes on kinetic parameters of enzymes, UCTD