Med kart og kompass blant gener og aminosyrer

Sånn ser det ut inni hodet mitt også.

Mitt masterprosjekt går ut på å lage en matematisk modell for aminosyresyntese i atlanterhavslaks. Modellen kan for eksempel brukes til å forutsi resultatet av forskjellige typer fiskefôr. Det er nok et stykke igjen til matematiske modeller kan erstatte alle eksperimentene, men i første omgang kan de gi en pekepinn om hvilke eksperimenter som vil være nyttige å utføre.

Av Filip Rotnes, masterstudent i Kjemi og Bioteknologi ved Norges Miljø- og Biovitenskapelige Universitet

Tre reaksjoner fra nettverket representert i form av en matrise

Stoffskiftet i en organisme utgjør et nettverk av kjemiske reaksjoner. Enzymer setter sammen, deler opp eller endrer formen på ett eller flere molekyler, og utvinner slik ressursene som behøves for å holde livsprosessene i gang. Mange stoffer deltar i flere reaksjoner og stoffskifteveier. I en celle gir dette et intrikat nettverk av metabolittenes mulige skjebner, som illustrerer at alt henger sammen. 

Det kan være mange grunner til at et så komplisert nettverk lønner seg. Å kunne danne livets byggesteiner fra flere kilder gir et tilpasningsdyktig system, men de byggesteinene som stort sett er del av organismes diett behøver heller ikke et slikt sikkerhetsnett. 

Komplekse prosesser

Et nettverk av metabolitter kan beskrives matematisk av en matrise hvor hver kolonne representerer en kjemisk reaksjon, og hver rad en metabolitts deltakelse i hver av disse. Beskrivelsen av en encellet organisme blir på dette viset relativt innviklet, desto mer hvis man ser på flere celler samtidig og hvordan de interagerer. Skal man redegjøre for en flercellet organisme bestående av forskjellige vevstyper som henger sammen på bestemte måter, skyter kompleksiteten i taket. 

Avhengig av spørsmålet man vil besvare, kan mer håndterbare modeller være mer nyttige, for eksempel en modell for en bestemt vevstype eller en gjennomsnittlig celle.

Det publiserte laksegenomet er knyttet opp mot KEGGs kart over stoffskiftet. Med utgangspunkt i de fremhevede reaksjonene for laks i KEGGs database, startet jeg å samle inn alle reaksjoner jeg fant å ha tilknytning til aminosyrer. Innsamlingen går ut på å hente inn informasjon om hvor i cellen reaksjonen kan skje, hvilke gener som er involvert og reaksjonslikningen. Dette omfattet alle reaksjoner i laks som er inkludert i kategorien "amino acid metabolism" i KEGG. 

Først da listen var på godt over hundre reaksjoner slo det meg at nettverkets høye grad av sammenkobling kunne lede meg til å samle inn alle reaksjonene som skjer i laks. Jeg måtte angripe problemet på en annen måte.

En egenskap ved levende systemer er å kunne opprettholde dynamisk likevekt ("steady state"). Det betyr at systemet konsumerer like mye som det produserer av hver metabolitt. Dette muliggjøres ved transport av forløpere og produkter over cellemembranen. Av reaksjonene jeg hadde valgt ut var det mange forgreininger som ikke førte noen vei. Stoffskifteveier der metabolitter opphopes vil under dynamisk likevekt forbli ubrukte. Disse valgte jeg derfor å se bort fra.

Full oppmerksomhet

Isteden kunne jeg konsentrere meg om reaksjonene som knytter aminosyrene til hverandre og sine forløpere. Dermed satte jeg opp grenser for nettverket. Deler av grensen er basert på reell kunnskap om transport over cellemembranen, mens andre deler erstatter resten av fullskala-nettverket som beskriver laksens stoffskifte. Slik får nettverket jeg faktisk er på jakt etter full oppmerksomhet. 

Nettverkets oppgave er å produsere aminosyrer. Endepunktene er dermed enkle å fastsette, men det er mange startpunkter å velge blant. Flere av aminosyrene har opphav i stoffer fra glykolysen og sitronsyresyklusen, og en rimelig slutning kunne dermed være å inkludere disse. Glykolysen og sitronsyresyklusen forsyner imidlertid mange andre deler av cellen med byggesteiner, så dette ville gi et ufullstendig, om ikke forvirrende, bilde. Følgelig er aminosyre-forløperne fra glykolysen og sitronsyresyklusen inkludert som startpunkter og uavhengige av hverandre. Det foregående kartet er en fremstilling av nettverket av aminosyrer og forløpere, og hvordan de er bundet sammen av enzymer (med deres EC-numre).

Modellen jeg lager kan for eksempel brukes til å forutsi resultatet av forskjellige typer fiskefôr på balansen av aminosyrer. Det er nok et stykke igjen til matematiske modeller kan erstatte eksperimenter med levende fisk, men i første omgang kan de gi en pekepinn om hvilke eksperimenter som vil være nyttige å utføre.

Forfatter

Filip Rotnes

E-post: filip.rotnes@nmbu.no
Tlf: +47 48066916

Tilknyttet prosjekt

Publisert: 18. Apr 2018 - kl. 12:25
Sist oppdatert: 19. Apr 2018 - kl. 22:35