How is life (and its origin) organized? · E. coli Model (II) – Regulated Network •...

How is life (and its origin) organized?

Pietro Speroni di Fenizio, Naoki Matsumaru,Florian Centler, Christoph Kaleta and Peter Dittrich

Bio Systems Analysis GroupFSU Jena

Friedrich-Schiller-Universität Jena Jena Centre for BioinformaticsBMBF (Federal Ministry of Education and Research, Germany) 0312704A,  DFG (German Research Foundation) Grant Di 852/4­1

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 2

Bio Systems Analysis Group

Use computational approaches to explain complex dynamical phenomena found in living systems

ESIGNET – Evolving Cell Signalling 

Networks in silico(T. Hinze, T. Lenser, EU)

Chemical Network Theory and Simulation

(P. Speroni d.F., F. Cenler, BMBF)

Semantics of Biological Models

(Ch. Knüpfer, RLS)

Systems Analysis of the Cell Cycle(B. Ibrahim, DAAD)

Organic Computing: Chemical Prgramming

(N. Matsumaru, DFG)

Autonomous Experimentation(N. Matsumaru, BMBF)

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 3

How is life (and its origin) organized?

2. What is the bio­chemical organization of an organism?

4. How did the bio­chemical organization of the pre­prebiotic soup evolved?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 4

Q1

lattice of organizations = organizational structure 

How does the lattice of organizations of an organism looks like?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 5

What is an answer ?

[Source: Puchalka/Kierzek (2004)Biophys. J. 86, 1357]

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 6

„ Chemical Organization“

Organization := a set of molecules that is(algebraically) closed andself­maintaining

There is no reaction producingany other molecules 

than the member of the set. 

Within the set, all moleculesconsumed by a reaction

can be reproduced by a reaction.

[Speroni di Fenizio/Dittrich (2005/7)  inspired by Fontana, Buss, Kauffman, Maturana, Varela, Uribe]

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 7

Fixed Point and Organization

TheoremGiven a fixed point of the ODE describing the dynamics 

of a reaction system, then the set of molecules represented by that fixed point is an organization.

[Dittrich/Speroni di Fenizio,  (2005,2007)]

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 8

Practical View

1

32

4

Chemical Organization

 Theory

Reaction network

1

32

4

Organization

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 9

All Organizations

1

32

4

Chemical Organization

 Theory

OrganizationsReaction network

1

32

4

Organization

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 10

Lattice of Organizations

1

32

4

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Hasse diagram of the organizations

OrganizationsReaction network

Chemical Organization

 Theory

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 11

Generate Organization

1

32

4

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Hasse diagram of the organizations

OrganizationsReaction network

Chemical Organization

 Theory

GO({3, 4}) = ?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 12

Generate Organization

1

32

4

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Hasse diagram of the organizations

OrganizationsReaction network

Chemical Organization

 Theory

GOrg({3, 4}) = {1}

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 13

Union of Organizations

1

32

4

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Hasse diagram of the organizations

OrganizationsReaction network

Chemical Organization

 Theory

GOrg({3, 4}) = {1}

{1} UO {2, 3} := GOrg({1} U {2,3}) 

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 14

Q1

organizational structure = lattice of organizations

How does the lattice of organizations of an organism looks like?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 15

Trivially, all organisms have at least one organization

S

O

W2

S + O 2O + WSO

W

{S, O, W}

{S}

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 16

Is there more?

S + O1 2O1 + WS + O2  2O2 + W

SO

W

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 17

Is there more?

S + O1 2O1 + WS + O1 + O2  2O2 + W

SO

W

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 18

How does the lattice organizations in an organism looks like?

• number?• hight?• size distribution?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 19

We looked at a couple of network models of “ real” systems

• photochemistries (dead, closed but not isolated systems)

• metabolism• regulated metabolism• lambda­phage• HIV ­ immunesystem

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 20

Photochemistry

Y. L. Yung and W. B. DeMore (1999)Photochemistry of Planetary Atmospheres,Oxford University Press

http://www.fpsoftlab.com/images/screenshots/mars­640x480­1.jpg

31 molecular species,103 reactions

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 21

76 Species, incl.28 Input

Glucose

76 + 2 = 78 SpeciesGlucose

78 + 6 = 84 SpeciesGlucose + Lactose

All 92 SpeciesGlucose + Glycerol + Lactose

78 + 8 = 86 SpeciesGlucose + Glycerol

E. coli Model (I)

• F. Centler, P. Speroni di Fenizio, N. Matsumaru, P. Dittrich (2007); in: Modeling and Simulation in Science Engineering and Technology, Post­proceedings of ECMTB 2005, Dresden (in print)

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 22

E. coli Model (I)

• F. Centler, P. Speroni di Fenizio, N. Matsumaru, P. Dittrich (2007); in: Modeling and Simulation in Science Engineering and Technology, Post­proceedings of ECMTB 2005, Dresden (in print)

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 23

E. coli Model (II) – Regulated Network

• Palsson/Covert• Organization theory is able to predict 

growth phenotypes of various mutants quite nicely

• But the organizational structure is simple

• C. Kaleta, F. Centler, P. Speroni di Fenizio, P. Dittrich (2007), submitted

{S, O, W}

{S}

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 24

E. coli Model (III)

• network from Palsson et al (?)

• analysis by C. Kaleta 2006

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 25

E. coli Model (III)

central metabolism+

lipid synthesisACP or hmrsACP

pyrimidine nucleotide synthesisq8 (quinone)

synthesis of some dNTPs

Minimal growth scenario:D­Glucose, O2, Fe2, NH4, H+, Pi, SO4

• analysis by C. Kaleta, F. Centler, 2006

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 26

HIV Models

• N. Matsumaru, F. Centler, P. Speroni di Fenizio, P. Dittrich (2006);  it ­ Information Technology, 48(3):1­9, 

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 27

HIV Models

• N. Matsumaru, F. Centler, P. Speroni di Fenizio, P. Dittrich (2006);  it ­ Information Technology, 48(3):1­9

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 28

How does the lattice of organizations of an organism looks like?

?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 29

Q2

What is the characteristics of the organizational evolution? upward? downward? ...

How did the bio­chemical organization of the pre­prebiotic soup evolved?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 30

A View of Chemical Evolution

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 31

Actual Evolution

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 32

Actual Evolution

Actual Evolution vs.

Organizational Evolution

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 34

Organizational Evolution

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 35

Organizational Evolution

1. Upwards [t1—t2]21 tt OO ⊂

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Dynamics

[2][3]

[4][1]

Hasse diagram of organizations

Organizations

t1 t2

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 36

Organizational Evolution

1. Upwards [t1—t2]

3. Downwards [t2—t3]

21 tt OO ⊂

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Dynamics

[2][3]

[4][1]

Hasse diagram of organizations

Organizations

t1 t2 t3

32 tt OO ⊃

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 37

Organizational Evolution

1. Upwards [t1—t2]

3. Downwards [t2—t3]

5. Sidewards [t1—t3]

21 tt OO ⊂

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Dynamics

[2][3]

[4][1]

Hasse diagram of organizations

Organizations

t1 t2 t3

32 tt OO ⊃

otherwise

A set of existing species and an organization are not equivalent.e.g., {2,3,4}

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 38

Theoretical vs. Practical

• Theoretically:– Every possible species is known.– Entire reaction network is given.→Every possible organization can be  calculated.→It is possible to define the dynamics on the ODE

• Practically:– NOT every possible species is known.– the entire network is NOT given.→NOT evey possible organization can be  

calculated.

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 39

Perspective Change

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

Dynamics

[2][3]

[4][1]

Hasse diagram of the organizations

Organizations

t1 t2 t3

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 40

Perspective Change

Dynamics

[2][3]

[4][1]

t1 t2 t3

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

{1}

{ }

{1}

{2, 3}

{1,2,3,4}

{ }

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 41

Downward movement

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 42

Upward Movements(adding mutations)

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 43

Q2

What is the characteristics of the organizational evolution? upward? downward? ...

How did the bio­chemical organization of the pre­prebiotic soup evolved?

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 44

Q2 - Notes

• There are two levels of chemical evolution.– Actual evolution

(the actual vessel)

– Organizational evolution(upward, downward, sideward movements)

• These levels are different.• If the organizations are complex, a 

downward movement (organizational level) can lead to a state with a higher diversity (actual evolution).

22.02.2007 Bled Peter Dittrich ­ FSU & JCB Jena 45

Http://www.mbl.edu/Astrobiology/Riley/image/E.coli.gif

1

32

4

vs.

beauty of mathematics

unaccesibilty of the real worldvs.

crule abstraction of mathematics

beauty of the real world

vs.

Acknowledgements

Pietro Speroni di Fenizio, Naoki Matsumaru,Florian Centler, Christoph Kaleta

Friedrich-Schiller-Universität Jena Jena Centre for BioinformaticsBMBF (Federal Ministry of Education and Research, Germany) 0312704A,  DFG (German Research Foundation) Grant Di 852/4­1