Esa Pitkänen väittelee aiheesta Computational Methods for Reconstruction and Analysis of Genome-Scale Metabolic Networks 12.11.2010 klo 12 Päärakennuksen auditorio XII:ssa. Vastaväittäjänä toimii professori Jacques van Helden (Université Libre de Bruxelles, Belgia) ja kustoksena professori Esko Ukkonen.

Tiivistelmä:

Aineenvaihdunta on yhteisnimitys solussa tapahtuville prosesseille, joissa solu tuottaa toiminnassaan tarvitsemansa raaka-aineet ja energian ravinteista. Koska aineenvaihdunta muodostaa perustan koko elämälle, on sen tutkiminen välttämätöntä eri aloilla, kuten lääketieteessä: monet sairaudet, kuten diabetes, johtuvat aineenvaihdunnan häiriöistä.

Aineenvaihduntaan osallistuvia pieniä molekyylejä kutsutaan metaboliiteiksi. Metaboliitit, kuten sokerit ja aminohapot, muokkautuvat entsyymien katalysoimissa reaktioissa. Peräkkäisten reaktioiden muodostamia ketjuja kutsutaan aineenvaihduntareiteiksi. Aineenvaihduntareittien muodostamaa kokonaisuutta on luonnollista kuvata verkkomalleina, jotka kuvaavat ravinteiden kulkeutumista aineenvaihdunnan läpi lopputuotteiksi ja energiaksi.

Uudet mittausmenetelmät mahdollistavat aineenvaihdunnan tutkimisen solutasolla. Mittausmenetelmien tuottaman datan suuri määrä asettaa uusia haasteita: datan täysimääräinen hyödyntäminen vaatii laskennallisia menetelmiä. Tässä väitöskirjatyössä esitellään uusia laskennallisia menetelmiä aineenvaihdunnan mallintamiseksi verkkoina. Työssä keskitytään erityisesti kolmeen tutkimuskysymykseen.

Ensimmäiseksi tutkitaan, miten voidaan löytää biologisesti merkittäviä, metaboliitteja toisiinsa yhdistäviä aineenvaihduntareittejä. Reittien etsinnässä hyödynnetään tietoa sekä kaikista tunnetuista solussa tapahtuvista reaktioista että perimän sisältämästä entsyymien rakennusohjeista. Samalla esitellään uusi mallinnustapa, joka perustuu aineenvaihdunnan esittämiseen yhtenäisinä verkkoina: verkon tulee pystyä tuottamaan kunkin mallissa käytettävän reaktion lähtöaineet ravinteista. Näin vältetään aikaisempien mallinnustapojen epärealistinen oletus aineenvaihduntareitillä tarvittavien metaboliittien rajoittamattomasta saatavuudesta.

Toisena pääteemana väitöskirjatyössä selvitetään lajikohtaisten aineenvaihdunnan verkkomallien muodostamista perimä- ja reaktiotiedon perusteella. Työssä esiteltävät uudet menetelmät soveltuvat suurten, koko aineenvaihdunnan kattavien mallien laatimiseen. Menetelmien muodostamat mallit ovat yhtenäisiä, mikä helpottaa niiden tulkintaa ja jatkokäsittelyä.

Työssä esitellään ohjelmisto aineenvaihduntamallien laatimiseen erityisesti reaktionopeuksien arvioimiseksi isotooppileimauskokeiden tuottaman datan perusteella. Väitöskirjassa kuvattu ohjelmisto liittää aineenvaihduntamalliin tässä tarkastelussa välttämättömän tiedon siitä, miten yksittäiset atomit kulkeutuvat aineenvaihdunnassa ravinteista lähtien. Ohjelmisto tukee myös eri tietokannoissa käytettävien metaboliittien nimennän moniselitteisyyden selvittämistä.

Lopuksi väitöskirjassa käsitellään aineenvaihdunnan evoluutioon liittyviä laskennallisia kysymyksiä. Työssä esitellään menetelmä, jonka avulla on mahdollista tehdä päätelmiä nykyisten lajien esi-isälajien aineenvaihdunnan rakenteesta. Menetelmä perustuu oletukseen kunkin esi-isälajin aineenvaihdunnan yhtenäisyydestä ja käyttää lähtötietona aineenvaihduntaverkkoa kullekin käsiteltävälle nykyiselle lajille ja tietoa lajien sukulaisuussuhteista.