Bei den meisten Bakterien wird die Biofilmbildung durch das Botenmolekül c-di-GMP stimuliert. Durch die enzymatische Aktivität von c-di-GMP-synthetisierenden Diguanylatzyklasen/DGC und c-di-GMP-abbauenden Phosphodiesterasen/PDE wird der c-di-GMP-Gehalt als eine Antwort auf diverse Stress- und suboptimale Umweltbedingungen reguliert. Vor allem Gram-negative Bakterien haben multiple DGC/PDE. So besitzt Escherichia coli K-12 29 solche Proteine, darunter 12 DGC, 13 PDE sowie 4 degenerierte Proteine ohne enzymatische Funktion. Dieses komplexe c-di-GMP-Kontrollsystem reguliert die Produktion der extrazellulären Biofilmmatrix, die in E. coli während des Übergangs in die stationäre Wachstumsphase stattfindet. Das Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob die 29 DGC/PDE von E. coli ein spezifisches Interaktom bilden, das DGC/PDE-Pärchen enthält. Durch umfangreiche Two-Hybrid-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es ein solches Interaktom in der Biofilmregulationskaskade tatsächlich gibt, das allerdings nicht in Pärchen organisiert ist. Vielmehr wird die Biofilmbildung von einer Kerngruppe von Enzymen, welche multiple Interaktionen untereinander und mit anderen DGC/PDE aufweisen, kontrolliert. Die Funktionsweise der Kerngruppe von Enzymen könnte jedoch möglicherweise unter bestimmten Wachstumsbedingungen durch Interaktionen mit weiteren Proteinen moduliert werden. Die Dynamik des Interaktionsnetzwerks ermöglicht vermutlich eine rationelle Ressourcenverwaltung in den verschiedenen Zonen des Biofilms, was zum Aufbau der komplexen Matrixarchitektur beitragen könnte, und eine hohe Anpassungsfähigkeit der Bakterien und der von ihnen aufgebauten Biofilmstrukturen gewährleisten könnte. Insgesamt führt diese Arbeit aus einer systemischen Perspektive zu einem neuen Modell der lokalen Biofilmbildungsregulation durch den Botenstoff c-di-GMP und legt die Basis für weitere Untersuchungen der daran beteiligten Mechanismen einzelner GGDEF/EAL-Domäne-haltiger Proteine in E. coli. / The messenger molecule c-di-GMP stimulates the formation biofilms in most bacteria species. The enzymatic activities of the diguanylate cyclases/DGC and the phosphodiesterases/PDE adjust the c-di-GMP content in response to diverse stress and suboptimal environmental conditions. Above all, Gram-negative bacteria have multiple GGDEF/EAL domain proteins. Escherichia coli K-12 possesses 29 of such proteins: 12 DGCs, 13 PDEs and 4 so called degenerate proteins without any enzymatical function. Mainly, this complex c-di-GMP control system regulates the production of the extracellular biofilm matrix, which in E. coli takes place during the switch into the stationary growth phase. The main compounds of the matrix are amyloid curli-fibers and exoplysaccaride cellulose. The goal of this work was to investigate, whether the 29 DGC/PDE from E. coli develop a specific interactome containing additional DGC/PDE pairs. In a comprehensive two-hybrid study, it could be demonstrated that there is indeed a specific interactome in the biofilm formation cascade. However, this interactome does not contain additional DGC/PDE pairs. Mainly, the core group of enzymes, which have multiple interactions among each other and with other DGC/PDE, controls biofilm formation. Under certain growth conditions the mode of action of the core enzymes might be adjusted through the interaction with other proteins. Presumably, the dynamics of the interaction network allows managing the resources in the different biofilm zones efficiently, which could conribute to the complex organisation of the matrix architecture. Therefore, the rapid adaptation of bacteria and the formed biofilm structures could be better organized. Altogether, this work provides a new model for the local regulation of the biofilm formation by the secondary messenger c-di-GMP guided from a systemical perspective. Hereby, the basis for further investigations on regulation mechanisms of individual DGC/PDE was set. / Переход от подвижного и планктонообразного образа жизни к формированию биоплёнок является важной и интересной особенностью различных микроорганизмов. Кишечная палочка (Escherichia coli) представляет собой удобный модельный организм для изучения подобных трансформаций. У этой грамотрицательной бактерии образование биоплёнки обусловлено внутриклеточной аккумуляцией циклического дигуанилата (цикло-диГМФ). Известно, что активность ферментов, синтезирующих (дигуанилатциклазы/ДГЦ) и разлагающих (диэстеразы/ДЭ) эти сигнальные молекулы, меняется в ответ на стрессовые и субоптимальные раздражители. Кишечная палочка имеет 12 ДГЦ, 13 ДЭ и четыре дегенерированных протеина. Цель данной работы – изучить специфический, важный при формировании биоплёнки интерактом и выяснить, способны ли другие ДГЦ/ДЭ образовывать дополнительные ДГЦ/ДЕ модули и вносить свой вклад в формирование биоплёнки. В работе были изучены молекулярные взаимодействия, ответственные за формирование биоплёнок у кишечной палочки. Так, было доказано отсутствие в интерактоме дополнительных локальных ДГЦ/ДЕ модулей, участвующих при каскадных процессах регуляции роста биоплёнки. Установлено, что процесс формирования биоплёнки в большей степени контролируется основной группой ферментов, которые имеют множественные взаимодействия между собой и с другими ДГЦ/ДЭ. Вероятнее всего, такие взаимодействия способны модулировать работу основных ферментов при определенных условиях культивирования. Динамика подобной сети взаимодействий позволяет микроорганизмам целесообразно использовать свои клеточные ресурсы при образовании биоплёнок и вносит свой вклад в её сложную архитектуру, повышая тем самым приспособляемость бактерий и созданных ими сложных биоплёночных структур к внешним условиям. В целом, в данной работе предложена новая модель локальной регуляции образования биоплёнки с помощью сигнальной молекулы цикло-диГМФ и заложен фундамент для дальнейших исследований механизмов действия отдельных ДГЦ/ДЭ.

Patients not responding to therapy as expected is one of the most pressing healthcare concerns of today. It causes economical, medical and societal issues along with suffering for patients. This project aimed to address this problem and evaluate how to find the best suited drug treatments for individual patients to treat Covid-19. This project was carried out in collaboration with the company AB Mavatar, that have two networks, one experimental and one predicted, which produce drug treatment rankings differently. Different methods are used to connect drug targets to disease associated genes and thus evaluate what drugs are best suited for specific patients to treat Covid-19. The aim of this project is to examine how network, method and drug category affect the ranking of a drug treatment for four mapped Covid-19 patients. Which drug category a drug belongs to did not seem to significantly affect the drug ranking. Yet, certain drug subcategories were closely correlated. However, these subcategories were not those that are typically associated with Covid-19. The method used to connect drug targets to disease associated genes heavily impacts the ranking of the drug treatment. The methods should be further evaluated to see if some should be excluded or weighted less in drug ranking calculations. The two networks are similar in how they rank different drugs, especially in severely ill patients. Through this project and the evaluation of the impact of method choice, one can start to figure out what should be prioritized among disease related changes. Also, important parameters for personalized treatment can be evaluated. / Patienter som inte svarar på terapi som förväntat är en av de största utmaningarna inom hälso- och sjukvård idag. Det orsakar ekonomiska, medicinska och samhälleliga problem samt lidande för patienter. Det här projektet adresserade detta problem och evaluerade hur man kan hitta det bäst lämpade läkemedlet för specifika patienter för att behandla Covid-19. Projektet gjordes tillsammans med företaget AB Mavatar, som har två interaktom, en experimentell och en datadriven, som rangordnar läkemedelsrekommendationer på olika sätt. Olika metoder används för att koppla samman läkemedelsmål med sjukdomsrelaterade gener och således evaluera vilka läkemedel som är bäst lämpade för specifika patienter för behandling av Covid-19. Syftet med projektet var att undersöka hur nätverk, metod och läkemedelskategori påverkar hur läkemedel rangordnas för fyra kartlagda Covid-19-patienter.  Vilken läkemedelskategori ett läkemedel tillhör tycks inte märkbart påverka läkemedelsrangordning. Trots detta var vissa läkemedelsunderkategorier nära korrelerade. Dock var dessa underkategorier inte typiskt associerade med Covid-19. Metoden för att koppla samman läkemedelsmål med sjukdomsassocierade gener påverkade läkemedelsrangordningen väsentligt. Metoderna borde dock evalueras ytterligare för att eventuellt exkludera eller vikta vissa mindre i uträkningar av läkemedelsrang. De två nätverken är lika i hur de rangordnar olika läkemedel, särskilt för svårt sjuka patienter. Genom detta projekt och genom evaluering av metodvalets påverkan kan man börja begripa hur man borde priorita bland sjukdomsrelaterade förändringar. Dessutom kunde viktiga parametrar inom personlig behandling evalueras.