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Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit.opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

M. pneumoniae is one of the smallest self-replicating organisms. Many organism wide studies have been performed on M. pneumoniae and provide a wealth of information on the bacteria. However, the genetic tools to manipulate and engineer this microorganism are currently insufficient. Therefore one focus of this project is to extend the genetic toolbox for M. pneumoniae. In parallel, we developed first a proof of concepts study for the use of M. pneumoniae as therapeutical vector. For this purpose the secretome of M. pneumoniae has been investigated to define all secretion signals in this bacterium. This knowledge was used to modify M. pneumoniae to secrete three proteins with therapeutical applications. Further we could show for two of the proteins that they are active after secretion and therefore that M. pneumoniae can be used to engineer therapeutic vectors for treating lungs diseases. / M. pneumoniae es uno de los microrganismos auto-replicativos más pequeños descritos hasta el momento. En nuestro grupo se ha empleado como modelo en Biología de Sistemas y se ha caracterizado a diferentes niveles (genoma, transcriptoma, proteoma...etc). Sin embargo, las herramientas genéticas para manipular y emplear este microorganismo como modelo en Bilogía Sintética, son insuficientes. Por lo tanto, uno de los objetivos de este proyecto es ampliar el repertorio de herramientas moleculares de M. pneumoniae. En paralelo, hemos desarrollado por primera vez una “prueba de concepto” para el uso de M. pneumoniae con finalidades terapéuticas. Con este propósito, primero hemos determinado el secretoma de M. pneumoniae que ha permitido identificar todas las señales de secreción de esta bacteria. Posteriormente, se ha aplicado este conocimiento para obtener cepas de M. pneumoniae capaces de secretar tres proteínas con aplicaciones terapéuticas. Hemos demostrado que dos de las tres proteínas son activas tras la secreción, abriendo nuevas perspectivas en el uso de M. pneumoniae para el tratamiento de enfermedades pulmonares.

The present Ph.D. thesis is devoted to study, develop and apply approaches commonly used in chemometrics to the emerging field of systems biology. Existing procedures and new methods are applied to solve research and industrial questions in different multidisciplinary teams. The methodologies developed in this document will enrich the plethora of procedures employed within omic sciences to understand biological organisms and will improve processes in biotechnological industries integrating biological knowledge at different levels and exploiting the software packages derived from the thesis. This dissertation is structured in four parts. The first block describes the framework in which the contributions presented here are based. The objectives of the two research projects related to this thesis are highlighted and the specific topics addressed in this document via conference presentations and research articles are introduced. A comprehensive description of omic sciences and their relationships within the systems biology paradigm is given in this part, jointly with a review of the most applied multivariate methods in chemometrics, on which the novel approaches proposed here are founded. The second part addresses many problems of data understanding within metabolomics, fluxomics, proteomics and genomics. Different alternatives are proposed in this block to understand flux data in steady state conditions. Some are based on applications of multivariate methods previously applied in other chemometrics areas. Others are novel approaches based on a bilinear decomposition using elemental metabolic pathways, from which a GNU licensed toolbox is made freely available for the scientific community. As well, a framework for metabolic data understanding is proposed for non-steady state data, using the same bilinear decomposition proposed for steady state data, but modelling the dynamics of the experiments using novel two and three-way data analysis procedures. Also, the relationships between different omic levels are assessed in this part integrating different sources of information of plant viruses in data fusion models. Finally, an example of interaction between organisms, oranges and fungi, is studied via multivariate image analysis techniques, with future application in food industries. The third block of this thesis is a thoroughly study of different missing data problems related to chemometrics, systems biology and industrial bioprocesses. In the theoretical chapters of this part, new algorithms to obtain multivariate exploratory and regression models in the presence of missing data are proposed, which serve also as preprocessing steps of any other methodology used by practitioners. Regarding applications, this block explores the reconstruction of networks in omic sciences when missing and faulty measurements appear in databases, and how calibration models between near infrared instruments can be transferred, avoiding costs and time-consuming full recalibrations in bioindustries and research laboratories. Finally, another software package, including a graphical user interface, is made freely available for missing data imputation purposes. The last part discusses the relevance of this dissertation for research and biotechnology, including proposals deserving future research. / Esta tesis doctoral se centra en el estudio, desarrollo y aplicación de técnicas quimiométricas en el emergente campo de la biología de sistemas. Procedimientos comúnmente utilizados y métodos nuevos se aplican para resolver preguntas de investigación en distintos equipos multidisciplinares, tanto del ámbito académico como del industrial. Las metodologías desarrolladas en este documento enriquecen la plétora de técnicas utilizadas en las ciencias ómicas para entender el funcionamiento de organismos biológicos y mejoran los procesos en la industria biotecnológica, integrando conocimiento biológico a diferentes niveles y explotando los paquetes de software derivados de esta tesis. Esta disertación se estructura en cuatro partes. El primer bloque describe el marco en el cual se articulan las contribuciones aquí presentadas. En él se esbozan los objetivos de los dos proyectos de investigación relacionados con esta tesis. Asimismo, se introducen los temas específicos desarrollados en este documento mediante presentaciones en conferencias y artículos de investigación. En esta parte figura una descripción exhaustiva de las ciencias ómicas y sus interrelaciones en el paradigma de la biología de sistemas, junto con una revisión de los métodos multivariantes más aplicados en quimiometría, que suponen las pilares sobre los que se asientan los nuevos procedimientos aquí propuestos. La segunda parte se centra en resolver problemas dentro de metabolómica, fluxómica, proteómica y genómica a partir del análisis de datos. Para ello se proponen varias alternativas para comprender a grandes rasgos los datos de flujos metabólicos en estado estacionario. Algunas de ellas están basadas en la aplicación de métodos multivariantes propuestos con anterioridad, mientras que otras son técnicas nuevas basadas en descomposiciones bilineales utilizando rutas metabólicas elementales. A partir de éstas se ha desarrollado software de libre acceso para la comunidad científica. A su vez, en esta tesis se propone un marco para analizar datos metabólicos en estado no estacionario. Para ello se adapta el enfoque tradicional para sistemas en estado estacionario, modelando las dinámicas de los experimentos empleando análisis de datos de dos y tres vías. En esta parte de la tesis también se establecen relaciones entre los distintos niveles ómicos, integrando diferentes fuentes de información en modelos de fusión de datos. Finalmente, se estudia la interacción entre organismos, como naranjas y hongos, mediante el análisis multivariante de imágenes, con futuras aplicaciones a la industria alimentaria. El tercer bloque de esta tesis representa un estudio a fondo de diferentes problemas relacionados con datos faltantes en quimiometría, biología de sistemas y en la industria de bioprocesos. En los capítulos más teóricos de esta parte, se proponen nuevos algoritmos para ajustar modelos multivariantes, tanto exploratorios como de regresión, en presencia de datos faltantes. Estos algoritmos sirven además como estrategias de preprocesado de los datos antes del uso de cualquier otro método. Respecto a las aplicaciones, en este bloque se explora la reconstrucción de redes en ciencias ómicas cuando aparecen valores faltantes o atípicos en las bases de datos. Una segunda aplicación de esta parte es la transferencia de modelos de calibración entre instrumentos de infrarrojo cercano, evitando así costosas re-calibraciones en bioindustrias y laboratorios de investigación. Finalmente, se propone un paquete software que incluye una interfaz amigable, disponible de forma gratuita para imputación de datos faltantes. En la última parte, se discuten los aspectos más relevantes de esta tesis para la investigación y la biotecnología, incluyendo líneas futuras de trabajo. / Aquesta tesi doctoral es centra en l'estudi, desenvolupament, i aplicació de tècniques quimiomètriques en l'emergent camp de la biologia de sistemes. Procediments comúnment utilizats i mètodes nous s'apliquen per a resoldre preguntes d'investigació en diferents equips multidisciplinars, tant en l'àmbit acadèmic com en l'industrial. Les metodologies desenvolupades en aquest document enriquixen la plétora de tècniques utilitzades en les ciències òmiques per a entendre el funcionament d'organismes biològics i milloren els processos en la indústria biotecnològica, integrant coneixement biològic a distints nivells i explotant els paquets de software derivats d'aquesta tesi. Aquesta dissertació s'estructura en quatre parts. El primer bloc descriu el marc en el qual s'articulen les contribucions ací presentades. En ell s'esbossen els objectius dels dos projectes d'investigació relacionats amb aquesta tesi. Així mateix, s'introduixen els temes específics desenvolupats en aquest document mitjançant presentacions en conferències i articles d'investigació. En aquesta part figura una descripació exhaustiva de les ciències òmiques i les seues interrelacions en el paradigma de la biologia de sistemes, junt amb una revisió dels mètodes multivariants més aplicats en quimiometria, que supossen els pilars sobre els quals s'assenten els nous procediments ací proposats. La segona part es centra en resoldre problemes dins de la metabolòmica, fluxòmica, proteòmica i genòmica a partir de l'anàlisi de dades. Per a això es proposen diverses alternatives per a compendre a grans trets les dades de fluxos metabòlics en estat estacionari. Algunes d'elles estàn basades en l'aplicació de mètodes multivariants propostos amb anterioritat, mentre que altres són tècniques noves basades en descomposicions bilineals utilizant rutes metabòliques elementals. A partir d'aquestes s'ha desenvolupat software de lliure accés per a la comunitat científica. Al seu torn, en aquesta tesi es proposa un marc per a analitzar dades metabòliques en estat no estacionari. Per a això s'adapta l'enfocament tradicional per a sistemes en estat estacionari, modelant les dinàmiques dels experiments utilizant anàlisi de dades de dues i tres vies. En aquesta part de la tesi també s'establixen relacions entre els distints nivells òmics, integrant diferents fonts d'informació en models de fusió de dades. Finalment, s'estudia la interacció entre organismes, com taronges i fongs, mitjançant l'anàlisi multivariant d'imatges, amb futures aplicacions a la indústria alimentària. El tercer bloc d'aquesta tesi representa un estudi a fons de diferents problemes relacionats amb dades faltants en quimiometria, biologia de sistemes i en la indústria de bioprocessos. En els capítols més teòrics d'aquesta part, es proposen nous algoritmes per a ajustar models multivariants, tant exploratoris com de regressió, en presencia de dades faltants. Aquests algoritmes servixen ademés com a estratègies de preprocessat de dades abans de l'ús de qualsevol altre mètode. Respecte a les aplicacions, en aquest bloc s'explora la reconstrucció de xarxes en ciències òmiques quan apareixen valors faltants o atípics en les bases de dades. Una segona aplicació d'aquesta part es la transferència de models de calibració entre instruments d'infrarroig proper, evitant així costoses re-calibracions en bioindústries i laboratoris d'investigació. Finalment, es proposa un paquet software que inclou una interfície amigable, disponible de forma gratuïta per a imputació de dades faltants. En l'última part, es discutixen els aspectes més rellevants d'aquesta tesi per a la investigació i la biotecnologia, incloent línies futures de treball. / Folch Fortuny, A. (2016). Chemometric Approaches for Systems Biology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/77148 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

Proefschrift Universiteit Maastricht. / Met lit. opg. - Met een samenvatting in het Nederlands.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Univ., 2008. / Härtill 5 uppsatser.

Esta tesis presenta el diseño, desarrollo tecnológico, caracterización y aplicaciones tanto químicas como biológicas de micro- y nanodispositivos destinados a ser herramientas funcionales en biología celular. Esta línea de investigación es posible gracias a los avances obtenidos en el campo de las Micro- y Nanotecnologías, donde la aplicación de técnicas de miniaturización en la fabricación de sus dispositivos a escala celular es ya una realidad. Estas herramientas son lo suficientemente pequeñas como para etiquetar y permitir el seguimiento de embriones vivos o incluso actuar como sensores permitiendo el estudio de células vivas únicas de forma intra- y extracelular. Además, una de las características más relevantes de las micro- y nanoherramientas presentadas en esta tesis es su capacidad de suspensión, es decir, que estos dispositivos pueden ser liberados de la oblea en la que están fabricados y directamente actuar con las células en su mismo medio y en su misma escala. Estas herramientas presentan diferentes formas, tamaños, materiales y funcionalidades específicas, ya que la combinación de todas estas características o incluso la incorporación de partes nanoestructuradas en un solo dispositivo nos permite la obtención de herramientas multi-funcionales. Por todo ello, las micro- y nanoherramientas presentadas en esta tesis implican un gran número de aplicaciones como sensores y actuadores en biología celular. O incluso en el futuro estos dispositivos podrán ser aplicados en el campo de la nanomedicina como sistemas de diagnosis y drug delivery. / This thesis presents the design, technological development, characterization and chemical and biological applications of micro- and nanodevices which are focused on being functional tools for cell biology. This research is possible thanks to the recent advances in Micro- and Nanotechnologies, where the application of miniaturization techniques at cell scale is already a reality. These tools are small enough to label and track living embryos or even sense and operate in single living cells in an extra- and intracellular way. Furthermore, one of the most relevant new features of the micro- and nanotools presented in this thesis is the capability of being suspended, meaning that these devices can be released from the wafer and directly interact with cells in their same medium and at cell scale. These micro- and nanotools present different shapes, sizes, materials and specific functionalities, as the combination of these features or even the incorporation of nanostructured parts in a single device can let us obtain multi-tasking devices. Summarizing, the extensive capabilities of the presented micro- and nanotools imply a broad number of applications as sensors and actuators in cell biology. Or even in the near future, these devices can be applied in the nanomedicine field as diagnosis and drug delivery systems.

This thesis is dedicated to the study and comprehension of biological networks at the molecular level. The objectives were to analyse their topology, integrate it in a genotype-phenotype analysis, develop richer mathematical descriptions for them, study their community structure and compare different methodologies for estimating their internal fluxes. The work presented in this document moves around three main axes. The first one is the biological. Which organisms were studied in this thesis? They range from the simplest biological agents, the viruses, in this case the Potyvirus genus to prokariotes such as Escherichia coli and complex eukariotes (Arabidopsis thaliana, Nicotiana benthamiana). The second axis refers to which biological networks were studied. Those are protein-protein interaction (PPIN) and metabolic networks (MN). The final axis relates to the mathematical and modelling tools used to generate knowledge from those networks. These tools can be classify in three main branches: graph theory, constraint-based modelling and multivariate statistics. The document is structured in six parts. The first part states the justification for the thesis, exposes a general thesis roadmap and enumerates its main contributions. In the second part important literature is reviewed, summarized and integrated. From the birth and development of Systems Biology to one of its most popular branches: biological network analysis. Particular focus is put on PPIN and MN and their structure, representations and features. Finally a general overview of the mathematical tools used is presented. The third, fourth and fifth parts represent the central work of this thesis. They deal respectively with genotypephenotype interaction and classical network analysis, constraint-based modelling methods comparison and modelling metabolic networks and community structure. Finally, in the sixth part the main conclusions of the thesis are summarized and enumerated. This thesis highlights the vital importance of studying biological entities as systems and how powerful and promising this integrated analysis is. Particularly, network analysis becomes a fundamental avenue of research to gain insight into those biological systems and to extract, integrate and display this new information. It generates knowledge from just data. / Esta tesis está dedicada al estudio y comprensión de redes biológicas a nivel molecular. Los objetivos fueron analizar su topología, integrar esta en un análisis de genotipo-fenotipo, desarrollar descripciones matemáticas más completas para ellas, estudiar su estructura de comunidades y comparar diferentes metodologías para estimar sus flujos internos. El trabajo presentado en este documento gira entorno a tres ejes principales. El primero es el biológico. ¿Qué organismos han sido estudiados en esta tesis? Estos van desde los agentes biológicos mas simples, los virus, en este caso el género Potyvirus, hasta procariotas como Escherichia coli y eucariotas complejos (Arabidopsis thaliana, Nicotiana benthamiana). El segundo eje hace referencia a las redes biológicas estudiadas, que fueron redes de interacción de proteínas (PPIN) y redes metabólicas (MN). El eje final es el de las herramientas matemáticas y de modelización empleadas para interrogar esas redes. Estas herramientas pueden clasificarse en tres grandes grupos: teoría de grafos, modelización basada en restricciones y estadística multivariante. Este documento está estructurado en seis partes. La primera expone la justificación para la tesis, muestra un mapa visual de la misma y enumera sus contribuciones principales. En la segunda parte, la bibliografía relevante es revisada y resumida. Desde el nacimiento y desarrollo de la Biología de Sistemas hasta una de sus ramas más populares: el análisis de redes biomoleculares. Especial interés es puesto en PPIN y MN: su estructura, representación y características. Finalmente, un resumen general de las herramientas matemáticas usadas es presentado. Los capítulos tercero, cuarto y quinto representan el cuerpo central de esta tesis. Estos tratan respectivamente sobre la interacción de genotipo-fenotipo y análisis topolólogico clásico de redes, modelos basados en restricciones y modelización de redes metabólicas y su estructura de comunidades. Finalmente, en la sexta parte las principales conclusiones de la tesis son resumidas y expuestas. Esta tesis pone énfasis en la vital importancia de estudiar los fenómenos biológicos como sistemas y en la potencia y prometedor futuro de este análisis integrativo. En concreto el análisis de redes supone un camino de investigación fundamental para obtener conocimiento sobre estos sistemas biológicos y para extraer y mostrar información sobre los mismos. Este análisis genera conocimiento partiendo únicamente desde datos. / Aquesta tesi està dedicada a l'estudi i comprensió de xarxes biològiques a nivell molecular. Els objectius van ser analitzar la seva topologia, integrar aquesta en una anàlisi de genotip-fenotip, desenvolupar descripcions matemàtiques més completes per a elles, estudiar la seva estructura de comunitats o modularitat i comparar diferents metodologies per estimar els fluxos interns. El treball presentat en aquest document gira entorn de tres eixos principals. El primer és el biològic. ¿Què organismes han estat estudiats en aquesta tesi? Aquests van des dels agents biològics mes simples, els virus, en aquest cas el gènere Potyvirus, fins procariotes com Escherichia coli i eucariotes complexos (Arabidopsis thaliana, Nicotiana benthamiana). El segon eix fa referència a les xarxes biològiques estudiades, que van ser les xarxes d'interacció de proteïnes (PPIN) i les xarxes metabòliques (MN). L'eix final és el de les eines matemàtiques i de modelització emprades per interrogar aquestes xarxes. Aquestes eines poden classificarse en tres grans grups: teoria de grafs, modelització basada en restriccions i estadística multivariant. Aquest document està estructurat en sis parts. La primera exposa la justificació per a la tesi, mostra un mapa visual de la mateixa i enumera les seves contribucions principals. A la segona part, la bibliografia rellevant és revisada i resumida. Des del naixement i desenvolupament de la Biologia de Sistemes fins a una de les seves branques més populars: l'anàlisi de xarxes moleculars. Especial interès és posat en PPIN i MN: la seva estructura, representació i característiques. Finalment, un resum general de les eines matemàtiques utilitzades és presentat. Els capítols tercer, quart i cinquè representen el cos central d'aquesta tesi. Aquests tracten respectivament sobre la interacció de genotip-fenotip i anàlisi topolólogico clàssic de xarxes, models basats en restriccions i modelització de xarxes metabòliques i la seva estructura de comunitats. Finalment, en la sisena part les principals conclusions de la tesi són resumides i exposades. Aquesta tesi posa èmfasi en la vital importància d'estudiar els fenòmens biològics com sistemes i en la potència i prometedor futur d'aquesta anàlisi integratiu. En concret l'anàlisi de xarxes suposa un camí d'investigació fonamental per obtenir coneixement sobre aquests sistemes biològics i per extreure i mostrar informació sobre els mateixos. Aquest anàlisi genera coneixement partint únicament des de dades. / Bosque Chacón, G. (2017). Network Analysis and Modeling in Systems Biology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79082 / TESIS

Jede Zelle des Säugetierorganismus benötigt Eisen als Spurenelement für zahlreiche oxidativ-reduktive Elektronentransfer-Reaktionen und für Transport und Speicherung von Sauerstoff. Der Organismus unterhält daher ein komplexes Regulationsnetzwerk für die Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Eisen. Die intrazelluläre Regulation in den verschiedenen Zelltypen des Körpers ist mit einer globalen hormonellen Signalstruktur verzahnt. Sowohl Eisenmangel wie Eisenüberschuss sind häufige und ernste menschliche Krankheitsbilder. Sie betreffen jede Zelle, aber auch den Organismus als Ganzes. In dieser Dissertation wird ein mathematisches Modell des Eisenstoffwechsels der erwachsenen Maus vorgestellt. In ihm wird die Flussbilanz des Eisens in den wichtigsten Zelltypen in Form von transmembranalen und intrazellulären kinetischen Gleichungen dargestellt, und es werden diese Zellmodelle mit dem zentralen Eisenaustausch-Kompartiment (Blutplasma) des Körpers integriert. Der Eisenstatus wird charakterisiert als Gehalt an labil gebundenen Eisen und an ferritin-gebundenen Eisen für jede Zelle. Der Stoffwechsel wird als Netzwerk von Flussdynamik formuliert. Der experimentelle Input in dieses Modells stammt von verschiedenen Quellen. Radioaktive Tracerdaten, gemessen am intakten Tier (Mausstamm C57BL6 – das am intensivsten studierte Tiermodell) unter varrierten physiologischen Bedingungen lieferten den experimentellen Hintergrund, von dem aus Clearance-Parameter durch numerisches Fitting ermittelt wurden. Es wird gezeigt, dass das Modell mit entsprechend adaptierten Parametersätzen die wichtigsten metabolischen und regulatorischen Ereignisse in Übereinstimmung mit den Messungen darstellen kann. In Zukunft soll die quantitative Übereinstimmung mit Daten aus weiteren genetischen Rekonstruktionen (globale und zell-spezifische knock-outs und konstitutive Expression relevanter Gene des Modellorganismus Maus) hergestellt werden. / Every cell of the mammalian organism needs iron as trace element in numerous oxido-reductive processes as well as for transport and storage of oxygen. The mammalian organism maintains therefore a complex regulatory network of iron uptake, excretion and intra-body distribution. Here a mathematical model of iron metabolism of the adult mouse is presented. It formulates the iron flux balance of the most important cell types of the organism in the form of transmembraneous and intracellular kinetic equations and integrates these cell models with the central exchange compartment (blood plasma) of the body. The iron status is represented as content of labile iron and of ferritin-bound iron in every cell type, and the metabolism is formulated as a network of flux dynamics. The experimental input into the model stems from different sources. Radioactive tracer data measured in the intact animal (mouse strain C57BL6 - the most intensively studied animal model) under various physiological conditions provided the experimental background from which clearance parameters could be obtained by numerical parameter fitting. Future research should render more precise the quantitative representation of genetic reconstructions (global and cell-type-addressed knock-out and constitutive expression of relevant genes of the model mouse strain).