The highly pathogenic Avian Influenza subtype H5N1 can lead to 100 % mortality in chickens. The main issue in prevention of H5N1 is the development of efficient poultry vaccines. Influenza haemagglutinin (HA) derived recombinant polypeptides would not elicit an immune response against internal viral proteins. Thus HA polypeptide use facilitates differentiation between infected and vaccinated animals (DIVA). Serological tests using recombinant immune-dominant proteins devoid of non-specific moieties present in whole cell preparations might have higher sensitivity and specificity. In the present study, four non-overlapping sequences of different functional domains of influenza A virus subtype H5 virus (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) designated P1, P2, P5 and rHA1 were cloned and expressed in Pichia pastoris for vaccination and diagnosis purposes. The four polypeptides were expressed successfully in P. pastoris using peptone methanol (1 % (w/v) yeast extract, 2 % (w/v) peptone, 2 % (v/v) methanol). P1, P2 and rHA1 polypeptides were purified using nickel affinity chromatography, whereas, P5 was purified using lectin affinity chromatography. Correct expression was analysed by SDS-PAGE and western blot, glycosylation analysis and MALDI-TOF.The immune responses of P1, P2 and rHA1 polypeptides were assessed in BALB/C mice. To enhance antibody response, recombinant polypeptides were mixed with the Gerbu adjuvant and injected subcutaneously. Vaccination of mice induced high subtype specific antibody titres in mice as analysed by Elisa (using recombinant antigens or whole H5N1 antigen) and Immunofluorescence assay (IFA) performed on Vero cells infected with H5 (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004). The immunogenicity of P1, P2, P5 and rHA1 polypeptides was determined in commercial layer chickens. Results showed that P1, P2 and rHA1 polypeptides induced high subtype specific antibody titres in chickens as analysed by Elisa (using recombinant antigens or whole H5N1 antigen), IFA (performed on Vero cells infected with H5N1 A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) and microneutralization test (µNT). However, P5 polypeptide was not immunogenic in chickens. Neutralizing antibodies could be detected in chicken sera immunized with P1, P2 and rHA1 polypeptides as analyzed with microneutralization test. IgY was analysed in egg yolk of chickens immunized with recombinant polypeptides. The IgY of chicken immunized with P1 and rHA1, transferred to the egg yolk was proportional to maternal serum IgY. However, IgY could not be detected in egg yolk of chickens immunized with P2 and P5 recombinant polypeptides. The more immunogenic polypeptides P1 and rHA1 were used in an recombinant Elisa (rElisa) for detection of influenza A subtype H5 in chickens and duck sera.The optimal antigen for the concentrations of rHA1, P1 was 50 ng / well, 50 ng / well. Analysis of 25 positive sera and 25 negative sera to H5 antibodies revealed that, the sensitivity of Western blot, whole H5N1 Elisa, agar gel immunodiffusion test (AGID), P1-Elisa and rHA1-Elisa was 100 %, 100 %, 52 %, 80 % and 100 %, respectively, while the specificity was 100 %, 100 %, 100 %, 72 %, and 100 %, respectively. Moreover, duck sera, with haemagglutination inhibiting titer ranged from 4 - 8 log2, were tested positive by rHA1 Elisa compared with negative duck sera. Further analysis of 179 serum samples with rHA1-Elisa in comparison with haemagglutination inhibition (HI) and commercial Elisa proved to be highly sensitive and specific. The agreement ratio between rElisa and HI was 84.9 % and between commercial Elisa (Flock check) and HI was 76.5 %. In conclusion, P. pastoris may allow development of an effective recombinant influenza vaccine based on truncated sequences of HA that might provide broader protection against H5 influenza viruses. The possibilities to use rHA1, P1 and P5 recombinant polypeptides as a vaccine against H5 influenza should be further studied. Also our study demonstrates the potential utility of recombinant Elisa as a tool for improvement of serological diagnosis of influenza A subtype H5 in chickens and ducks. / Die hochpathogene aviäre Influenza des Subtyps H5N1 erreicht beim Ausbruch von Infektionen in Nutzgeflügelbeständen Mortalitätsraten von bis zu 100 %. Effektive und kostengünstige Impfstoffe werden benötigt, die möglichst auch eine Differenzierung zwischen geimpften Tieren und mit Wild-Virus infizierten Tieren zulassen. In diesem Zusammenhang könnten Peptid-Vakzine eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Impfstoffen darstellen, bei denen unter Verwendung des Vollvirus Antikörper gegen mehrere Virusproteine induziert werden. Außerdem, könnten rekombinante Antigene in serologischen Tests zur Diagnose von H5 Virus in Nutzgeflügel eingesetzt werden. Von dem Einsatz spezifischer rekombinanter Antigene ist eine Verbesserung der Serodiagnostik zu erwarten. In dieser Arbeit, wurden vier verkürzte Sequenzen des Hämagglutinins (P1, P2, P5 und rHA1) von Subtyp H5 (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) rekombinant in Pichia Pastoris exprimiert. Dazu erfolgten zunächst eine Klonierung in der Expressionsvektor pAOX und die Transformation von Pichia Pastoris. Die Expression wurde durch Methanol induziert. Der Nachweis der rekombinanten Fusionspeptiden mit C-terminalen Histidin-Tag erfolgte durch SDS-PAGE, Western Blot, Glycolysierungsanalyse, und MALDI-TOF. Der Histidin-Tag ermöglichte die Reinigung von P1, P2 und rHA1 mit Metall-Affinitätschromatographie. Polypeptid P5 hingegen wurde mittels Lectin-Affinitäts- chromatographie gereinigt. Balb/c Mäuse wurden mit Polypeptid P1, P2 bzw. rHA1, versetzt mit Gerbu Adjuvans, immunisiert. Zur Untersuchung der Immunantwort wurden die murinen Seren mittels Elisa (unter Verwendung rekombinanter Antigene oder Voll-H5N1 Antigen) sowie IFA (durchgeführt in Vero- Zellen infiziert mit A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) analysiert. Dabei wurde die präferentielle Induktion von H5-spezifischen Antikörpern detektiert. Die Immunogenität der P1, P2, P5 und rHA1-Polypeptide wurde in kommerziellen Legehennen bestimmt. Seren wurden mit ELISA, IFA, und Mikroneutralizationstest (μNT) analysiert. Die ELISA-Ergebnisse zeigten, dass die Polypeptide P1, P2 und rHA1 hohe Subtyp-spezifische Antikörpertiter in Hühnern induzierten. Im µNT konnte nur ein niedriger neutralisierender Antikörpertiter nachgewiesen werden. Das P5- Polypeptid ist bei Hühnern nicht immunogen. Im Eigelb von Hühnern, die mit den rekombinanten Polypeptiden P1 und rHA1 immunisiert wurden, konnten H5-spezifische IgY Antikörper detektiert werden. Hühner, die mit P2 und P5 immunisiert wurden, zeigten keine IgY im Eigelb. Die rekombinanten Antigene P1 und rHA1 wurden im ELISA auf ihre potenzielle Eignung für die Serodiagnostik untersucht. Die optimale Antigenkonzentration war 50 ng / well. Die serologische Analyse von 25 positiven und 25 negativen Seren auf Antikörper gegen H5 zeigte, dass Sensitivität und Spezifität von Western Blot, Voll-H5N1 ELISA und rHA1-ELISA bei jeweils 100 % lagen. Bei Agargel- Immunodiffusiontest (AGID) lagen Sensitivität und Spezifität bei 52 % und 100 %, während im P1-Elisa lediglich eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 72 % erreicht wurden. Somit eignet sich rHA1 für die Anwendung in der Serodiagnostik. Bei der serologischen Untersuchung von 175 Hühnerseren wurde eine Überbestimmung zwischen rHA1-ELISA und Hämagglutinationshemmungstest (HAI) 84.9 % festgestellt, während diese zwischen dem kommerziellen ELISA (Flock Check) und HAI 76.5 % betrug. Die Ergebnisse zeigten, dass das Expressionssystem P. pastoris als Produktionssystem rekombinanter Antigene für die Serodiagnostik von H5 Influenza geeignet ist. Challenge-Versuche sind nötig, um die Eignung von rekombinanten Antigenen als möglichen Impfstoff gegen H5 Influenza zu untersuchen.

Aufgrund der vielfältigen metabolischen Prozesse und Funktionen von Mitochondrien finden durch beide mitochondriale Membranen zahlreiche Transportprozesse statt. Es wird weitgehend angenommen, dass der Transfer von metabolischen Intermediaten durch die äußere Membran von den zahlreichen Porinporen gewährleistet wird. Im Gegensatz dazu sind in der inneren Membran spezifische Transportproteine für die Translokationsprozesse verantwortlich. Neben dem gut untersuchten Porinmolekül (Por1p) gibt es in der Hefe S. cerevisiae unter respiratorischen Bedingungen zwei weitere abundante, aber funktionell unbekannte Proteine in der äußeren Membran von Mitochondrien - Om14p und Om45p -, deren molekular-biologische Charakterisierung Gegenstand dieser Arbeit war. Mit drei unabhängigen Methoden (2D BN - SDS-PAGE, Co-IP und TAP) konnte gezeigt werden, dass die beiden Proteine Om14p und Om45p zusammen mit Por1p einen Proteinkomplex in der äußeren Membran ausbilden, wobei Por1p eine von Om14p und Om45p unabhängige Porenstruktur ausbildet. Bei Bedarf, möglicherweise über Phosphorylierungen signalisiert, binden Om14p und Om45p an diese Struktur, wobei Om45p dabei der direkten Interaktion von Om14p mit Por1p bedarf. Die Identifikation von Interaktionspartnern des Fusionsproteins Om14p-TAP durch Einsatz einer präparativen TAP mit anschließender massenspektrometrischer Analyse sowie die Untersuchungen der Effekte von OM14- und/oder OM45- Gendeletionen auf das mitochondriale Proteom mit einem 2D DIGE-Verfahren führten zur Aufstellung von funktionalen Zusammenhängen des Proteinpaares Om14p/Om45p. Mit Wachstumsuntersuchungen von Deletionsmutanten in Gegenwart von in den Mitochondrien toxisch wirkenden Substanzen sowie durch ein in dieser Arbeit entwickeltes Testverfahren zur Bestimmung des mitochondrialen ATP-Flusses, konnten die funktionalen Hypothesen für die Proteine Om14p und Om45p initial verifiziert werden. Zusammengefasst unterstützen die Daten dieser Arbeit die Idee von einem hochgradig flexiblen System der Mitochondrien, zur Gewährleistung von effizienten Transportvorgängen durch beide Membranen. Eine koordinierte Bindung der Porinpore an die spezifischen Transporter der inneren Membran wird wahrscheinlich durch die Aktivität des Proteinpaares Om14p/Om45p vermittelt. In diesem Zusammenhang könnten beide Proteine als eine Art Lizenzierungsfaktor fungieren und die Positionierung der Porinpore an die entsprechenden Proteine der inneren Membran erzeugen. Dadurch würde ein effektives System für den Austausch von metabolischen Intermediaten und Substraten der mitochondrialen Atmungskette entstehen. Ebenfalls durch diese Arbeit nicht auszuschließen ist die Vorstellung, dass die Proteine Om14p und Om45p einen Einfluss auf die spezifischen Transportproteine der inneren Membran oder die Porinpore der äußeren Membran ausüben. Phosphatrest-Übertragungen, die zu Konformationsänderungen oder Porenöffnungen führen könnten, sind beispielsweise vorstellbar. Die Stoffwechseladaption einer Zelle bei einem diauxic shift ist durch einen verstärkten mitochondrialen Import von Metaboliten, Co-Faktoren und Proteinen sowie häufigerer mitochondrialer Teilungsprozesse charakterisiert. Om14p und Om45p sind bei einem Wechsel zu nicht-fermentativen Bedingungen verstärkt präsent. Diese beiden Proteine könnten der Hefe einen entscheidenden Vorteil bei der Synchronisierung der genannten Prozesse liefern, indem sie eine verbesserte Erreichbarkeit bzw. eine Veränderung der Selektivität von bereitgestellten Kanälen bzw. Transportproteinen in beiden mitochondrialen Membranen bewirken.

Hintergrund: Die Synthese von Chemikalien aus fossilen Rohstoffen wird wegen ihrer begrenzten Verfügbarkeit und ihren negativen Auswirkungen auf die Umwelt zunehmend kritisch bewertet. Eine Alternative bietet die „Weiße Biotechnologie“, insbesondere die Fermentation nachwachsender Rohstoffe mithilfe von Hefen. Die oleophilen Hefen Pseudozyma (P.) tsukubaensis und Yarrowia (Y.) lipolytica sind natürliche Säureproduzenten. Ihre Hauptprodukte sind Metabolite des Tricarbonsäurezyklus: Citrat (CA), α-Ketoglutarat und Malat. In kleineren Mengen werden auch andere Stoffe wie Isocitrat (ICA) oder Itaconat (ITA, nur von P. tsukubaensis) sekretiert. Das Interesse an den beiden Letztgenannten hat in den vergangenen Jahrzehnten stetig zugenommen. Bis heute gibt es allerdings keinen etablierten Wirtsorganismus für die ICA-Produktion. ITA hingegen wird mithilfe von Aspergillus terreus synthetisiert. Jedoch stößt die ITA-Produktivität dieses Hyphenpilzes auch mit großem wissenschaftlichem Aufwand an ihre Grenzen. Daher wird ein neuer Wirtsorganismus benötigt. Ergebnisse: In dieser Studie wurden ein vielversprechender P. tsukubaensis-Stamm für die Produktion von ITA und ein Y. lipolytica-Stamm für ICA konstruiert. Zunächst wurde das Genom von P. tsukubaensis sequenziert. Infolgedessen wurde ein Gencluster für die Synthese und den Export von ITA identifiziert, das homolog zu dem von Ustilago maydis ist. Die Überexpression von vier der fünf Clustergene erhöhte die ITA-Sekretion nicht deutlich. Das fünfte Gen kodiert den vermeintlichen Transkriptionsfaktor Ria1p, der vermutlich das Gencluster steuert. Die Überexpression des PtRIA1 Gens führte zu einer signifikant erhöhten ITA-Produktion von bis zu 31,4 g/l in Mikrotiterplatten. Durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen wurden im Bioreaktor innerhalb von 7 d 113,6 g/l ITA ohne die Notwendigkeit eines Triggers produziert. Für die ICA-Produktion wurden zwei mutmaßliche mitochondriale Citrat-Transportproteine in Y. lipolytica identifiziert, welche von den Genen YlCTP1 sowie YlYHM2 kodiert werden. Die Funktionsweise der beiden Proteine scheint sich stark voneinander zu unterscheiden. Die Deletion von YlCTP1 führte zu einer leichten Verschiebung des ICA:CA-Verhältnisses, aber die Gesamtmenge beider Säuren nahm stark ab. Durch die Deletion von YlYHM2 stieg die ICA:CA-Produktrate von 12 % auf 95 % im Vergleich zum Wildtyp. Innerhalb von 5 d wurden bis zu 131,9 g/l ICA mit Sonnenblumenöl, bzw. 22,0 g/l ICA mit Glukose als einzige Kohlenstoffquelle in einem Bioreaktor unter kontrollierten Produktionsbedingungen erreicht. Durch die zusätzliche Hemmung des Isocitratlyase-Proteins mit ITA stieg das ICA:CA-Verhältnis bis 98 %. Fazit: Mittels Metabolic Engineering wurden im Rahmen dieser Arbeit die beiden Hefestämme P. tsukubaensis HR12 und Y. lipolytica ΔYHM2 erzeugt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, die hochwertigen Chemikalien ITA oder ICA in hohen Mengen (> 100 g/l) aus nachwachsenden Rohstoffen wie Glukose oder sogar Pflanzenölen herzustellen. / Background: The synthesis of chemicals from fossil fuels is being evaluated increasingly critically, mainly due to its expected exhaustion and negative impact on the environment. An alternative offers ‘white biotechnology’, especially the fermentation of renewable resources with the help of yeasts. The oleophilic yeast species Pseudozyma (P.) tsukubaensis and Yarrowia (Y.) lipolytica are both natural organic acid producers. Their main products are metabolites of the tricarboxylic acid cycle, namely citrate, α-ketoglutarate and malate. In smaller amounts, other compounds like isocitrate (ICA) or itaconate (ITA, solely with P. tsukubaensis) are also secreted. The interest for the latter two has been rising steadily during the last decades. However, to this date, there is no established host organism for the ICA production. ITA, on the other hand, is being synthesised with Aspergillus terreus. Even with great scientific effort, the ITA productivity of this hyphal fungus appears to reach its limits. Therefore, a different host organism is needed. Results: In this study, a promising P. tsukubaensis strain has been constructed for the production of ITA and a Y. lipolytica strain for ICA. First, the genome of the ITA producer P. tsukubaensis has been sequenced. As a result, a gene cluster for the synthesis and export of ITA, homologous to that of Ustilago maydis, has been identified. By overexpressing four of the five cluster genes, respectively, none to low increases in ITA secretion were observed. The fifth gene is encoding the putative transcription factor Ria1p which probably controls the gene cluster. The overexpression of the gene PtRIA1 led to a significantly increased ITA production of up to 31.4 g/l in micro-wells. By optimizing the growth conditions 113.6 g/l ITA could be produced within 7 d under controlled conditions in a bioreactor without the need of a trigger like phosphate limitation. For the production of ICA, two putative mitochondrial citric acid transporter proteins were identified in Y. lipolytica. One carrier protein is encoded by the novel gene YlYHM2, the other one by YlCTP1. The mode of function for the two deduced proteins appears to be very distinct from one another. The deletion of YlCTP1 led to a minor shift in the ICA:CA ratio but the total amount of acids decreased greatly. By deleting YlYHM2, the ICA:CA product ratio could be increased from 12 % to 95 % compared to the wild type strain. Within 5 d up to 131.9 g/l ICA with sunflower oil and 22.0 g/l with glucose as the sole carbon source could be achieved under controlled production conditions in a bioreactor. Further inhibition of the isocitrate lyase protein with ITA increased the ICA:CA ratio to 98 %. Conclusion: Within this work, the two yeast strains P. tsukubaensis (HR12) and Y. lipolytica (ΔYHM2) have been created via metabolic engineering. With their help, it is possible to produce the value-added chemicals ITA or ICA on a high scale (> 100 g/l) from renewable resources like glucose or even vegetable oils.

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Veränderungen in phosphorylierungsabhängigen Signalwegen, Akkumulation von Proteinaggregaten im Gehirn und neuronaler Zelltod sind Neurodegenerationskennzeichen und Indikatoren für überlappende molekulare Mechanismen. Um Einblicke in die involvierten Signalwege zu erhalten, wurde mit Hilfe eines modifizierten Hefe-Zwei-Hybrid (Y2H)-Systems für 71 Proteine, die mit neurologischen Erkrankungen assoziiert sind, proteomweit nach Protein-Protein Interaktionen (PPIs) gesucht. Für 21 dieser Proteine wurden PPIs identifiziert. Das Gesamtnetzwerk besteht aus 79 Proteinen und 90 PPIs von denen 5 phosphorylierungsabhängig sind. Ein Teil dieser PPIs wurde in unabhängigen Interaktionsassays mit einer Validierungsrate von 66 % getestet. Der netzwerkbasierte Versuch verbindet erfolgreich neurologische Erkrankungen untereinander aber auch mit zellulären Prozessen. Ser/Thr-Kinase abhängige PPIs verknüpfen zum Beispiel das Parkinson Protein 7 (PARK7, DJ1) mit den E3 Ligase Komponenten ASB3 und RNF31 (HOIP). Die Funktion dieser Proteine bekräftigt den Zusammenhang zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Parkinson Krankheit (PD). Neurofibromin 2 (NF2, merlin) Isoformen und PARK7 interagieren mit der regulatorischen PI3K Untereinheit p55-gamma (PIK3R3). Diese PPIs basieren auf Tyr-Kinase Aktivität im modifizierten Y2H System und funktionellen PIK3R3 pTyr-Erkennungsmodulen (SH2 Domänen) in co-IP und Venus PCA Versuchen. Dies verknüpft den PI3K/AKT Überlebenssignalweg mit zwei unterschiedlichen neurologischen Erkrankungsphenotypen: dem PD assoziierten neuronalen Zelltod und der Neurofibromatose Typ 2-assoziierten Tumorentstehung. Die vergleichende Beobachtung von PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) Interaktionen auf NF2 Isoformlevel offenbart eine Bevorzugung von Isoform 7 bei zytoplasmatischer Lokalisation, wohingegen Isoform 1 PPIs an der Membran lokalisiert sind. Das modifizierungsabhängige und isoformspezifische PPI Netzwerk ermöglichte neue Hypothesen zu molekularen Pathomechanismen. / Alterations in phosphorylation-dependent signalling pathways, accumulation of aggregated proteins in the brain and neuronal apoptosis are common to neurodegeneration and implicate overlapping molecular mechanism. To gain insight into involved pathways, a modified yeast-two hybrid (Y2H) system was applied to screen 71 proteins associated with neurological disorders in a proteome-wide manner. For 21 of these proteins interactions were identified including 5 phosphorylation-dependent ones. In total, the network connected 79 proteins through 90 protein-protein interactions (PPIs). A fraction of these Y2H PPIs was tested in secondary interaction assays with a validation rate of 66 %. The described network-based approach successfully identified proteins associated with more than one disorder and cellular functions connected to specific disorders. In particular, the network revealed Ser/Thr kinase-dependent PPIs between the Parkinson protein 7 (PARK7, DJ1) and the E3 ligase components ASB3 and RNF31 (HOIP). The function of these proteins further substantiates the established connection between Parkinson’s disease (PD) and ubiquitination-mediated proteasome (dis)functions. Neurofibromin 2 (NF2, merlin) isoforms and PARK7 were identified as PI3K regulatory subunit p55-gamma (PIK3R3) interactors. These PPIs required Tyr kinase coexpression in the modified Y2H system and functional PIK3R3 pTyr-recognition modules (SH2 domains) in co-IP and Venus PCA experiments. This finding implicates the PI3K/AKT survival pathway in PD-associated neuronal apoptosis and Neurofibromatosis type 2-associated tumour formation. Investigation of PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) and EMILIN1 PPIs on NF2 isoform level revealed preferential isoform 7 binding and cytoplasmic or membrane localisation of these PPIs for isoform 7 or 1, respectively. The generated modification-dependent and isoform-specific PPI network triggered many hypotheses on the molecular mechanisms implicated in neurological disorders.

Mathematische Modellierung ist ein wichtiges Werkzeug biologischer Forschung geworden, was sich in der Entstehung von Systembiologie widerspiegelt. Eine erfolgreiche Anwendung mathematischer Methoden auf biologische Fragen erfordert die Zusammenarbeit zwischen experimentell und theoretisch arbeitenden Wissenschaftlern, auch um sicherzustellen, dass die Biologie im Modell adäquat dargestellt wird. Ich präsentiere hier zwei Untersuchungen zur Anpassung von Saccharomyces cere- visae an hyperosmotische Bedingungen: Eine biologisch detailgetreue Beschreibung der Signaltransduktion zur Aktivierung von Hog1 und ein Model, das Anpassung an osmotischen Stress in zellulärem Zusammenhang beschreibt. Die Studie zur Osmoadaptation in zellulären Kontext impliziert, dass Hog1 und Fps1, zwei wichtige Bausteine dieses Adaptationsvorgangs, miteinander in Wechselwirkung treten und dies zur Anpassung beiträgt. Dieses Ergebnis wird durch die Integration verschiedener Hefestämme mit zum Teil gegensätzlich wirkenden Mutationen ermöglicht. Diese Studie offenbart des weiteren, dass die Rolle von Glycerol in der langfristigen Anpassung bisher überschätzt wurde. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Glycerol als ’Not’-Osmolyt eingesetzt wird und andere Stoffe, z.B. Trehalose, erheblich zu dauerhafter Osmoadaptation beitragen. Durch die Betrachtung des Zustands mehrerer zellulärer Mechansimen wird deutlich, dass Osmoadaptation stark vom Kontext abhängig ist und nicht perfekt ist. Der Preis schlägt sich in langsamerem Wachstum nieder. Zeitabhängige Sensitivitätsanalyse des Modells untermauert diese Hypothese. Die gewählte Perspektive ermöglicht die Betrachtung von intrazellulären Signaltransduktionskomponenten, Metaboliten und des Wachstums. Der Vergleich mit einer Studie, die Anpassung an osmotischen Stress als perfekte Adaptation auf Grund eines vereinfachten Modells beschreibt, hebt die Rolle der gewählten Perspektive zum Verständnis biologischer Systeme hervor. / Mathematical modeling has become an important tool in biology, reflected in the emergence of systems biology. Successful application of mathematical methods to biological questions requires collaboration of experimental and theoretical scientists to identify and study the problem at hand and to ensure that biology and model match. In this thesis, I present two studies on adaptation to hyperosmotic conditions in the yeast Saccharomyces cerevisae: A biologically faithful description of the signaling pathways activating Hog1 and a model integrating the effects of Hog1-activity and cellular metabolism, describing osmoadaptation in cellular context. The study of osmoadaptation in cellular context suggests that Hog1 and Fps1, two crucial components of adaptation, interact upon hyperosmotic stress. This finding is facilitated by incorporating multiple strains with mutations leading to partly oppositional phenotypes. This study further reveals that the role of glycerol in long term adaptation has been overestimated so far. According to the results presented here, glycerol is utilized as an ’emergency’ osmoprotectant and other compounds, e.g. trehalose, contribute significantly to osmoadaptation. Accounting for the state of multiple cellular mechanisms (Hog1-activity, glycolysis, growth) shows that adaptation to hyperosmotic stress and the impact of the individual mechanisms of adaptation is context dependent and that adaptation to sustained osmostress is not perfect, the expense reflected in a reduced growth rate in hyperosmotic medium. Time-dependent sensitivity analysis supports the notion of context. The perspective chosen allows observations on intracellular signaling components, metabolites and growth speed. Comparison with a study that describes osmoadaptation as perfect adaptation highlights the role of this perspective for the conclusions drawn, thus emphasizing the importance of an integrative perspective for understanding biological systems.

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