Metabolic dynamics and compartmentation in the central metabolism of Chinese hamster ovary cells

Abstract

The thesis aimed at advancing our knowledge about metabolic compartmentation in the metabolism of mammalian cells. The focus of the study was the central metabolism and its control in Chinese hamster ovary (CHO) cells. An essential part of the work was the development and implementation of innovative methods, e.g. the analysis of extra- and intracellular labeling dynamics, non-stationary 13C metabolic flux analysis, determination of compartment-specific enzyme activities, and elementary mode analysis of the mitochondrial metabolism in selectively permeabilized cells. The results of this thesis increase our understanding of metabolic control at the cytosol-mitochondria interface, including control by mitochondrial transporters. In addition the work highlights aspects in the connection of glycolysis and TCA cycle, microcompartmentation and channeling, metabolite exchange between cells and extracellular medium, as well as metabolic dynamics in general. The comprehensive findings contribute to a deeper understanding of the complexity of mammalian metabolism and the various manifestations of metabolic compartmentation. Understanding the control of metabolism opens up new perspectives for improving biotechnological production processes and designing successful therapies for the treatment of severe diseases.

Die Arbeit zielte darauf ab, unser Wissen in Bezug auf metabolische Kompartimentierung im Stoffwechsel von Säugerzellen voranzubringen. Im Mittelpunkt stand die Untersuchung des Zentralmetabolismus und dessen Kontrolle in Chinese hamster ovary (CHO) Zellen. Eine notwendige Voraussetzung für diese Arbeit war die Entwicklung und Umsetzung einer Reihe von innovativen Methoden, u.a. die Analyse von extra- und intrazellulären Markierungsdynamiken, nicht-stationäre 13C metabolische Flussanalyse, Bestimmung von kompartiment-spezifischen Enzymaktivitäten sowie Elementarmodenanalyse des mitochondrialen Stoffwechsels in selektiv permeabilisierten Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern unser Verständnis der metabolischen Kontrolle an der Grenzfläche zwischen Zytosol und Mitochondrien, einschließlich der Kontrolle durch mitochondriale Transporter. Darüber hinaus werden Aspekte der Verknüpfung zwischen Glykolyse und TCA Zyklus, Mikrokompartimentierung und Channeling, Metabolitenaustausch zwischen Zellen und extrazellulärem Medium, sowie allgemein die Dynamik des Stoffwechsels beleuchtet. Die umfassenden Erkenntnisse tragen dazu bei, die Komplexität des Säugerstoffwechsels sowie die verschiedenen Spielarten von Stoffwechselkompartimentierung besser zu begreifen. Wissen über die Kontrolle des Stoffwechsels eröffnet neue Perspektiven zur Verbesserung von biotechnologischen Produktionsprozessen sowie zur Behandlung von schweren Krankheiten.