Biological Networks: Design Principles of Robust Information Processing

• Applicant: Professor Dr. Markus Kollmann
• Subject Area: Bioinformatics and Theoretical Biology
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 20046535

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Die zentrale Ausgangsfragen des Projektes waren (i) gibt es generelle Designprinzipen der Rauschunterdrückung in der molekularen Informationsverarbeitung lebender System, (ii) sind diese Prinzipen molekular realisiert worden, und (iii) was sind die Signaturen dieser Prinzipien in der Signalwegsarchitektur oder in der genomischen Organisation der am Signalweg beteiligten Gene? Um diese Fragestellungen im Detail zu beantworten, untersuchten wir zwei Modellsysteme: den Chemotaxis Signalweg in E. coli und die KaiABC zirkadiane Uhr in Cyanobakterien. Für beide Systeme gelang es uns mathematische Modelle aufzustellen, welche die Dynamik der molekularen Vorgänge sehr genau beschreiben und experimentell testbare Vorhersagen liefern. So konnte unser Modell für den Chemotaxis Pathway die optimale Operonstruktur der an der Chemotaxis beteiligten Gene vorhersagen und die Robustheitsprinzipien des Signalweges aufdecken. Im Falle der zirkadian Uhr konnten wir den molekularen Mechanismus des Oszillators und dessen Phasenkopplung an Temperaturänderung entschlüsseln. Die gefundenen Prinzipien des robusten Netzwerk Designs konnte wir zu einem allgemeinen theoretischen Konzept verallgemeinern. Dieses theoretische Konzept kann einen wesentlichen Beitrag zum Design neuer, synthetischer Pathways liefern, um diese störungsunanfällig und damit effizienter zu gestalten.

Publications

• Design Principles of Signal Transduction Pathways to compensate Intracellular Perturbations. IEEE International Conference on Control Applications (2006)
  Kilian Bartholome, Jens Timmer, and Markus Kollmann
  
• Co-expression of signaling proteins improves robustness of the bacterial chemotaxis pathway. J Biotechnol. 2007 [Epub ahead of print]
  Linda Lovdok, Markus Kollmann, and Victor Sourjik
  
• Functioning and Robustness of a Bacterial Circadian Clock. Nature Molecular Systems Biology 3:90, (2007)
  S. Clodong, U. Dring, L. Kronk, I. Axmann, A. Wilde, H. Herzel, and M. Kollmann
  
• In silico biology: from simulation to understanding. Curr Biol. (2007) 17(4):R132-4
  M. Kollmann and V. Sourjik
  
• Quantifying origins of cell-to-cell variations in gene expression. Biophys J. (2008) 15;95(10):4523-8
  J. Rausenberger, M Kollmann
  
• Induction Level Determines Signature of Gene Expression Noise in Cellular Systems. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 100, 57-66 (2009)
  J. Rausenberger, J. Timmer, C. Fleck, M. Kollmann
  
• Role of Translational Coupling in Robustness of Bacterial Chemotaxis Pathways. PLoS Biology (2009)
  Lovdok L, Bentele K, Vladimirov N, Mueller A, Pop F, Lebiedz D, Kollmann M, and Sourjik V
  
• A Sequestration Feedback determines Dynamics and Temperature Entrainment of the KaiABC Circadian Clock. Nature Molecular Systems Biology (2010)
  Brettschneider C, Rose R, Hertel S, Axmann IM, Heck AJR, and Kollmann M
  
• Themal Robustness of Signaling in Bacterial Chemotaxis. Cell 45, 213 (2011)
  Oleksiuk O, Jakovljevic V, Vladimirov N, Carvalho R, Paster E, Ryu W, Meir Y, Wingreen N, Kollmann M and Sourjik V