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).

Das zu den Protozoen gehörende Phylum der Apicomplexa umfasst nahezu 6000 Parasitenarten. Die meisten Apicomplexa haben sich an eine obligat intrazelluläre Lebensweise angepasst und infizieren verschiedenste Tiere und den Menschen. Zu den bedeutendsten Vertretern der Apicomplexa zählen Toxoplasma, Plasmodium und Eimeria. In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf den drei repräsentativen Organismen Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis und Plasmodium berghei, welche sich alle in einem etablierten Wirt (der Maus) reproduzieren, sich allerdings hinsichtlich ihrer Wirtszellen, Persistenz sowie in ihrem Reproduktionsverhalten deutlich unterscheiden. Somit ermöglichen die genannten Parasiten eine umfassende Untersuchung der Biologie der Apicomplexa. Die meisten Entwicklungsstufen dieser Pathogene sind sehr eng mit der Wirtszelle assoziiert, was auch metabolische Wechselwirkungen beinhaltet. Das Verständnis dieser Interaktionen ist unerlässlich, um die Evolution von Parasiten zu ergründen. Grundsätzlich war das Ziel dieser Arbeit, die metabolischen Netzwerke der genannten Parasiten zu eruieren und den Einfluss des Metabolismus auf Wachstum, Pathogenese und Adaption in verschiedenen Nährstoffumgebungen zu untersuchen. Unsere Vorgehensweise verband biochemische, revers-genetische, zellbiologische und optogenetische Bottom-Up-Methoden mit Top-Down-Methoden wie Lipidomics, Metabolomics und Transcriptomics um folgende Prämissen anzugehen: • Vergleichender Entwurf der metabolischen Netzwerke in den obengenannten Parasiten • Nährstoff-Plastizität für die Überlebensfähigkeit des Parasiten in verschiedenen Milieus • Umregulierung oder Ausbeutung des Wirtsmetabolismus durch intrazelluläre Parasiten • Stadien-spezifische Regulation des Metabolismus während der asexuellen Reproduktion • Identifizierung und Validierung potentieller anti-parasitischer Wirkstoffe / The protozoan phylum apicomplexa comprises nearly 6000 parasitic species. Most apicomplexans have adapted to obligate intracellular parasitism in a wide range of organisms, including animals and humans. Some notable members of the phylum include Toxoplasma, Plasmodium and Eimeria species. This study focused on three representative parasites, namely Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis and Plasmodium berghei, all of which infect a common and well-established model host organism (i.e. mouse), but have diverged from each other considerably with respect to the target host cells, persistence and reproduction behavior. These parasites together therefore enable a fairly inclusive study of the apicomplexan biology. Most developmental stages of these pathogens intimately associate with host cells, involving a metabolic crosstalk between the two entwined entities. A germane understanding of such interactions is vital to appreciate the evolution of parasites. In a nutshell, this work aimed to determine the design of metabolic networks in indicated parasites and the impact of metabolism on growth, pathogenesis and adaptation in discrete nutritional milieus. Our approach blended bottom-up methods of biochemistry, reverse genetics, cell biology and optogenetics with the top-down lipidomics, metabolomics and transcriptomics to address the following major premises: • Comparative design of the selected metabolic networks in aforementioned parasites • Nutritional plasticity underlying the parasite survival in variable environments • Subversion or exploitation of host metabolism by intracellular parasites • Stage-specific rewiring of parasite metabolism during asexual reproduction • Identification and endorsement of potential anti-parasitic drug targets

Cyanobakterien sind einzellige, phototrophe Mikroorganismen, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Sonnenenergie und Kohlenstoffdioxid für das Zellwachstum zu nutzen, ideale Modellorganismen für ein besseres Verständnis des phototrophen Stoffwechsels darstellen. Sie werden auch zunehmend als potenzieller Wirtsorganismus für die Synthese von wertvollen Chemikalien und verschiedenen Biokraftstoffen wahrgenommen. Um diese Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, bietet die genomskalige Rekonstruktion von Mikroorganismen ein weitgehendes Verständnis über die metabolischen Umwandlungen, die während des phototrophen Wachstums stattfinden. In dieser Arbeit wurden detaillierte Rekonstruktionen des metabolischen Netzwerkes der Cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) und Synechococcus elongatus PCC 7942 erstellt und analysiert. Darüber hinaus wurden beim Netzwerk von Synechocystis unklare Reaktionsschritte experimentell validiert und die funktionellen Konsequenzen von abweichenden Stoffwechseltopologien untersucht. Dabei umfasst das Modell neuartige Ergebnisse in Bezug auf den cyanobakteriellen TCA-Zyklus, einen angeblich vorhandenen Glyoxylatzyklus und die Rolle der Photorespiration beim Zellwachstum, die mithilfe der Flussbilanzanalyse (FBA) systematisch auch in Bezug auf den täglichen Hell-Dunkel-Zyklus des cyanobakteriellen Stoffwechsels gewonnen wurden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt im Zugewinn des allgemeinen Verständnisses über die genomische Diversität innerhalb unterschiedlicher Cyanobakterienstämme und speziell innerhalb des cyanobakteriellen Stoffwechsels. Dazu wurden die Genome mehrerer phototropher Cyanobaktierenstämme untereinander verglichen und besonders Unterschiede und Gemeinsamkeiten auf Ebene des Stoffwechsels hervorgehoben. Zum Abschluss dieser Arbeit wurde unter Zuhilfenahme der FBA die Synthese von neun unterschiedlichen Biokraftstoffen im metabolischen Netzwerk von Synechocystis, analysiert. / Cyanobacteria are unicellular, phototrophic microorganisms. Owing to their capability to utilize solar energy and atmospheric carbon dioxide for growth, they represent ideal model organisms to better understand phototrophic metabolism. Moreover they are gaining increasing attention as a potential host organism for the synthesis of valuable chemicals and various biofuels. To fully harness this potential of cyanobacteria necessitates an in-depth understanding of the metabolic interconversions that take place during phototrophic growth, such as that provided by genome-scale reconstructions of microbial organisms. In this work, detailed metabolic network of two cyanobacteria, Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) and Synechococcus elongatus PCC 7942, were reconstructed and analyzed. In addition uncertain reaction steps in the network of Synechocystis were experimentally validated and the functional consequences of aberrant metabolic topologies were examined. The model integrates novel results regarding the cyanobacterial TCA cycle, an alleged glyoxylate shunt, and the role of photorespiration in cellular growth, which were systematically obtained studying the diurnal light/dark cycles of cyanobacterial metabolism using flux balance analysis (FBA). Another aspect of this work focuses on gaining general understanding of the genomic diversity within different cyanobacterial species and specifically within cyanobacterial metabolism. For this purpose, the genomes of several phototrophic cyanobacterial strains were compared and in particular differences and similarities at the level of metabolism were highlighted. In conclusion I reflected on the biotechnological relevance of metabolic network reconstruction by analyzing the synthesis of nine different biofuels in the metabolic network of Synechocystis using FBA.

Die vorliegende Dissertation behandelt die Ökologie von Cnidium dubium (Schkuhr) Thell. (Sumpf-Brenndolde), Gratiola officinalis L. (Gottes-Gnadenkraut) und Juncus atratus Krocker (Schwarze Binse), drei gefährdeten Arten, die als sogenannte Stromtalpflanzen in Mitteleuropa in ihrem Vorkommen eng an die Flussauen gebunden sind. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Simulationsexperimenten und Feldstudien in der Unteren Havelniederung, einem „Feuchtgebiet von internationaler Bedeutung“. Sie behandelt Themenkomplexe wie das Samenbankverhalten, die Samenkeimung, die Stickstofflimitierung, die Konkurrenzkraft, das Verhalten der Pflanzen nach einer Sommertrockenheit und nach einer Winter/Frühjahrsüberflutung. Ferner widmet sie sich der Populationsbiologie der Arten und dem Verhalten der Pflanzen nach besonderen Störungsereignissen wie Mahd, Herbivorie und der Sommerflut 2002. Der Leser erfährt, wie die Pflanzen in verschiedenen Lebensphasen auf die auentypische Umwelt reagieren und erhält umfassende Einblicke in physiologische Mechanismen, die der Anpassung an die typischen Bedingungen einer mitteleuropäischen Flussaue dienen. Eine Interpretation der Ergebnisse zeigt auf, welche der spezifischen Eigenschaften zur Gefährdung der drei Stromtalarten beitragen. Die Arbeit ist für den Arten-, Biotop- und Landschaftsschutz interessant. Darüber hinaus bietet sie zahlreiche Anknüpfungspunkte zur ökophysiologischen Grundlagenforschung. Die verstärkte Nutzung physiologischer Methoden bei der Klärung ökologischer Fragestellungen wird angeregt. / The thesis deals with the ecology of three endangered European river corridor angiosperms Cnidium dubium (Schkuhr) Thell., Gratiola officinalis L. und Juncus atratus Krocker. The study is based on different experimental approaches and field surveys in a wetland along the Lower Havel River, a designated German Ramsar-site (Wetland of International Importance). This involves the examination of aspects of seed bank dynamics, germination, nitrogen limitation, competitive ability, and the response of plants to summer drought and/or winter/spring flooding. The thesis continues with a detailed study of the population biology of the species at natural sites and the response of these plants to specific disturbances like mowing, herbivory and the severe summer flooding in 2002. The reader learns about the traits of the three plant species to tolerate the typical conditions their natural sites are exposed to in different phases of their life cycle. He gets a comprehensive look at physiological means by which plants can adapt to the prevailing conditions of European river lowlands. The interpretation of the results is used to reveal specific plant traits, which may contribute to the endangerment of the three river corridor plants. As such, this thesis is interesting for protection of species, biotopes and landscapes. Furthermore, it provides numerous close connections to fundamental research from an ecophysiological perspective. The increased use of physiological methods is recommended in order to be able to adequately resolve ecological problems.

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Das Ziel des Fütterungsversuches war es, zu ermitteln, wie sich das Wachstum von Reitpferdehengsten in der Aufzucht im Alter von 11 bis 27 Monaten, abhängig von der Energie- und Proteinversorgung darstellt. Die Tiere wurden in zwei Gruppen mit je sechs Tieren in Laufställen mit täglichem Auslauf gehalten. Die Aufwertung der Proteinversorgung im Sinne des Idealproteinkonzeptes erfolgte in der Supplement-gruppe über ein pelletiertes Ergänzungsfuttermittel in welchem hochwertige Proteinträger sowie kristalline Aminosäuren eingesetzt wurden. Die Trocken-substanzaufnahmen waren in allen Rationen in beiden Gruppen identisch. Gemäß Versuchsziel war die Protein- und Aminosäurenversorgung der einzige unterschiedliche Versuchsfaktor, die Energieaufnahme beider Gruppen war ausgeglichen. Effekte der optimierten Versorgung wurden durch Wachstums-, Gewebe- und Stoffwechselparameter über einen Zeitraum von 72 Wochen im Vergleich der Gruppen erhoben und ausgewertet. Die Zunahmen an Lebendmasse und in der Widerristhöhe waren über den gesamten Versuchsverlauf in der Supplementgruppe höher. Bei Betrachtung von kürzeren Zeiträumen waren signifikante, rationsabhängige Effekte in diesen, aber auch mittels anderer Wachstumsparameter, nachweisbar. Der Zuwachs im Muskelumfang war im entsprechenden Betrachtungszeitraum signifikant erhöht, die weiteren Gewebeparameter BIA und Röntgen lieferten dem Alter der Tiere entsprechende Ergebnisse. Im Parameter des Harnstoff-Stickstoff im Serum wurde an einem Zeitpunkt des Versuches im Mittel der Tiere der Supplementgruppe ein signifikant niedrigerer Wert ermittelt. An weiteren Zeitpunkten und auch bei der Indikatorsubstanz 1-Methyl-Histidin waren keine Unterschiede zwischen den Gruppen nachweisbar. Eine höhere Absorption der unentbehrlichen Aminosäuren aus dem Ergänzungsfutter in der Supplementgruppe wurde durch die Analyse der freien Aminosäuren im Blut in mehreren Versuchsabschnitten nachgewiesen. Die verbesserte Proteinqualität in der Ration der Supplementgruppe beeinflusste das Wachstum der Tiere positiv. Eine Verwendung von hochwertigen Proteinträgern und kristallinen Aminosäuren gemäß Idealproteinkonzept konnte in Ergänzungs-futtermitteln für die Aufzucht von Pferden und für Zeiträume erhöhter Leistungsabforderungen empfohlen werden. Weiterer Forschungsbedarf zum Idealprotein Pferd für zukünftige Untersuchungen wurde im Bereich der knappen relativen Versorgungslage an Methionin, Histidin und den verzweigtkettigen Aminosäuren nachgewiesen.

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Background: Tumor cells are highly dependent on glucose even in the presence of oxygen. This concept called the Warburg effect is a hallmark of cancer and strategies are considered to therapeutically exploit the phenomenon such as ketogenic diets. The success of such strategies is dependent on a profound understanding of tumor cell metabolism. With new techniques it is now possible to thoroughly analyze the metabolic responses to the withdrawal of substrates and their substitution by others. In the present study we used gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) to analyze how glioblastoma brain tumor cells respond metabolically when glucose is withdrawn and substituted by pyruvate. Methods: Glioblastoma brain tumor cells were cultivated in medium with high (25 mM), medium (11 mM) or low (5.5 mM) glucose concentration or with pyruvate (5 mM). After 24 h GC-MS metabolite profiling was performed. Results: The abundances of most metabolites were dependent on the supply of glucose in tendency but not in a linear manner indicating saturation at high glucose. Noteworthy, a high level of sorbitol production and release was observed at high concentrations of glucose and high release of alanine, aspartate and citrate were observed when glucose was substituted by pyruvate. Intermediates of the TCA cycle were present under all nutritional conditions and evidence was found that cells may perform gluconeogenesis from pyruvate. Conclusions: Our experiments reveal a high plasticity of glioblastoma cells to changes in nutritional supply which has to be taken into account in clinical trials in which specific diets are considered for therapy.

Es stellt sich die Frage, wie diese Zellen im entzündeten Gewebe überleben können und wie sie ihren Stoffwechsel an die dortigen Bedingungen anpassen. Diese Arbeit beschreibt am Beispiel der Juvenilen Idiopathischen Arthritis (JIA) die Analyse des Stoffwechsels von CD4+ T Lymphozyten, die chronische Entzündungen antreiben undim entzündeten Gewebe lange Zeit persistieren. Pathogene CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5-T Zellen wurden hierfür aus Synovialflüssigkeit von Patienten mit JIA isoliert und gezeigt, dass auch bei diesen Zellen der Stoffwechsel auf Fettsäureoxidation beruht. Wurde die Fettsäureoxidation durch Etomoxir blockiert, starben die Zellen. Die Störung des Stoffwechsels dieser Zellen könnte somit eine Option für einen neuen Therapieansatzdarstellen. Zusätzlich war die Expression des Transkriptionsfaktors Twist 1 in diesen CD4+CD45RO+ PD1+ CXCR5- T Zellen hochreguliert. Twist 1 ist ein Marker für T Lymphozyten, die in entzündetem Gewebe von Patienten mit chronisch-entzündlichen Erkrankungen der Gelenke oder des Darmes persistieren. Untersuchung in vitro ergaben außerdem, dass Twist 1 spezifisch von Th1 Lymphozyten exprimiert wird, die mehrfach restimuliert wurden. Dieser Transkriptionsfaktor wirkt einerseits der Gewebszerstörung, die von T Zellen verursacht wird, entgegen, und unterstützt anderseits die Persistenz der Zellen im Gewebe durch die Induktion der microRNA148a, die die Expression des pro-apoptotischen Proteins Bim reguliert. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Einfluss auf die Regulation des Metabolismus von CD4+ T Lymphozyten bei chronischen Entzündungen. Dabei wird die Glycolyse verringert und vermehrt Fettsäuren synthetisiert, um die Zellen vor reaktiven oxidierenden Spezies (ROS) zu schützen. Zusätzlich konnten wir nachweisen, dass mehrfach re-stimulierte, Twist-defizienteTh1 Zellen unfähig sind, durch Fettsäureoxydation zu überleben, sondern den Stoffwechsel auf Lipid- Peroxidierung umstellen / How do CD4+ T cells adapt their metabolism for survival in the inflamed tissue? This thesis describes analysis of the metabolism of CD4 T lymphocytes driving chronic inflammation and persisting at the site of inflammation, exemplified by cells that reside in the inflamed tissue of patients with the rheumatic disease juvenile idiopathic arthritis. To specifically take aim at the CD4+ T lymphocytes persisting at the site of inflammation, it is important to determine how these cells adapt their metabolism. We show that pathogenic CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells that were isolated from the synovial fluid of patients with juvenile idiopathic arthritis are dependent on a fatty acid oxidation for survival ex vivo. Their survival can be blocked by blocking FAO with Etomoxir, pointing to the option of targeting such cells by metabolic interference. Furthermore, CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells had upregulated expression of Twist1, a hallmark transcription factor of T lymphocytes persisting in the inflamed tissues of patients with chronic-inflammatory diseases of joints or the gut. Expression of Twist1 is specific for Th1 lymphocytes which have repeatedly been re-stimulated in vitro, or isolated from inflamed. This transcription factor dampens immunopathology caused by the T cells and supports their persistence, by inducing microRNA148a, which regulates expression of the proapoptotic protein Bim. This thesis shows, through conditional genetic inactivation of Twist1 in CD4+ T lymphocytes, that Twist1 regulates the metabolism ofCD4 T lymphocytes of chronic inflammation, by downregulating glycolysis, promoting fatty acid synthesis and protecting the cells from ROS. Additionally, we show that Twist1 deficient repeatedly reactivated murine Th1 cells are unable to survive on fatty acid oxidation and have increased levels of lipid peroxidation.