Modeling the spatio-temporal organization and segregation of bacterial chromosomes

Thema dieser Arbeit war die Untersuchung der raum-zeitlichen Organisation und Segregation der bakteriellen DNA, um die grundlegenden Prozesse zu analysieren, die die Vererbung des genetischen Materials und die Vermehrung des Lebens regulieren. Für die Untersuchungen in dieser Arbeit wurden grundlegende physikalische Prinzipien verwendet. Ziel war es, Konzepte der Polymerphysik zu nutzen, um physikalische Modelle der komplexen biologischen Realität zu formulieren. Diese Modelle wurden in Computersimulationen evaluiert und mit experimentellen Daten verglichen. Im ersten Projekt dieser Arbeit wurde die räumliche Organisation der DNA in multipartiten Bakterien (= Bakterien mit mehreren Replikonen) untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine hohe Ordnung der räumlichen Organisation auch für multipartite Bakterien. Die Organisation konnte mit Hilfe eines physikalischen Modells von kompaktifizierter DNA und geometrischen Beschränkungen für einzelne Gene reproduziert werden. Darüber hinaus war es möglich, mit dem entwickelten Modell genaue Vorhersagen für verschiedene Mutanten zu treffen und Interaktionen zwischen Replikonen vorherzusagen. Das zweite Projekt befasste sich mit der Untersuchung der gleichzeitigen Replikation und Segregation von bakterieller DNA. Die Segregationsmuster der ori wurden im Modellorganismus Bacillus subtilis analysiert. Mit Hilfe von Molekulardynamik Simulationen wurde gezeigt, dass die entropische Segregation von Chromosomen ein plausibler Mechanismus für die Segregation von genetischem Material ist, der auch die beobachtete Variabilität in den experimentellen Daten erklären kann. Das Modell der entropischen Segregation bakterieller Chromosomen wurde im dritten Projekt durch die Implementierung zusätzlicher Segregationsmechanismen erweitert, so dass ein großer Datensatz verschiedener Trajektorien der ori durch die Zelle erzeugt werden konnte. So konnten machine learning Algorithmen verwendet werden, um die verschiedenen Segregationsbewegungen zu klassifizieren. Die Auswertung der Vorhersagen zeigte sehr gute Ergebnisse und motiviert zukünftige Klassifizierungen auch von experimentellen Daten auf Basis der entwickelten Modelle. Diese Arbeit soll neue Perspektiven auf die Organisation der DNA in der Bakterienzelle sowie ein besseres Verständnis der physikalischen Grundlagen der zellulären Prozesse ermöglichen.