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Creating an enzymatic database with graph rewrite rules
Bojana Ristivojcevic
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Christoph Flamm
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.70535
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11228.57701.241635-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Enzyme spielen eine sehr wichtige Rolle im Stoffwechsel des Organismus. Alle Stoffwechselschritte / -prozesse werden durch Enzyme katalysiert. Ziel der Masterarbeit war es eine Datenbank, welche in einer Webseite öffentlich zugänglich ist, zu erstellen, um Graph Rewrite Regeln für chemisch, enzymatische Reaktionsgraphen zu speichern und bei Bedarf chemische Reaktionsnetzwerke aufzubauen. Bei der Untersuchung chemischer Reaktionsnetzwerke liegt das Interesse darin zu erkennen, in welchen Atomen der Edukte während einer biochemischen Reaktion zu welchen Atomen der Produkte übergegangen wurde. Graphendatenbanken sind ein geeignetes Werkzeuge für eine effiziente und bequeme Möglichkeit, chemische Netzwerke zu speichern und zu erkunden. In der gegenwärtigen Situation können Netzwerke nicht durch Datenbanken aufgebaut werden, da in den Datenbanken die Reaktionen lediglich als Bilder und Gesamtreaktionsdaten gespeichert werden, die für generative Netzwerkkonstruktionsansätze nicht geeignet sind. Außerdem werden in Reaktionsdatenbanken normalerweise nur Verbindungen und manchmal auch Transformationen aufgelistet, keine Atom Mappings. Die Atom Mappings einer Reaktion beschreibt für jedes Nichtwasserstoffatom in einer Reaktantenverbindung und das entsprechende Atom in einer Produktverbindung. Wenn die Atom Mappings von Reaktion bestimmt werden, kann man Reaktionszentren identifizieren, welche zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen verwendet werden können. Der Reaktionsmechanismus beschreibt detailliert die einzelnen Elementarreaktionen der gesamten chemischen Reaktion. So ist deutlich zu erkennen, welche Eduktatome in welche Produktatome umgewandelt wurden. Somit können die Atome der chemischen Reaktionen innerhalb der Reaktion verfolgt werden. Um diesen generativen Ansatz beizubehalten, muss zunächst die Biochemie als Graph-Rewrite-Regel vollständig zugänglich sein, um dann im nächsten Schritt die Reaktionszentren, jene Teil der Reaktion bei dem sich die Bindungen brechen bzw bilden, zu finden. Eine chemische Graph-Rewrite Regel ist eine aggregierte Abstraktion elementarer quantenmechanischer Schritte der Elektronenrekonfiguration, welche stattfinden müssen, um die strukturelle Änderung der chemischen Reaktion umzusetzen. In diesem Sinne muss der Kontext einer Graph-Rewrite-Regel alle notwendigen physikalisch-chemischen Eigenschaften erfassen, die vorhanden sein müssen, damit die elementaren quantenmechanischen Schritte zur Implementierung des Strukturwandels stattfinden können. Dies wären die ersten Schritte zur datengesteuerten Erzeugung von Reaktionsnetzwerken. Ziel dieser Datenbank ist es auch von Personen verwendet zu werden, die wenig oder keine chemische Erfahrung haben. Eine nützliche Anwendung dieses Ansatzes ist die Syntheseplanung von enzymkatalysierten Pfaden. Aufgrund des Netzwerks sind Synthesewege leichter verständlich und es ist auch klar, welche Transformation durch welches Enzym katalysiert werden kann. Der automatisierte Aufbau von Atomumverteilungsnetzwerken, der durch einen vorgegebenen Satz von Enzymen induziert wird und für die Interperetation von Isoptopenmarkierungsexperimenten im Rahmen der Analyse des Stoffwechselflusses erforderlich ist, ist ein weiterer zukünftiger Anwendungsbereich der Datenbank. Ein weiterer Vorteil wäre, dass die Graph-Rewrite Regeln in der erstellten Datenbank als minimale und maximale Version gespeichert sind und auch immer darauf zugegriffen werden kann. Die maximale Graph-Rewrite Regel enthält alle Atome mit den Atom Mappings der gesamten Reaktion. Die minimale Graph-Rewrite Regel enthält lediglich diejenigen Atome, bei denen die Bindungen direkt gebildet oder gebrochen werden, also das Reaktionszentrum. So kann der Benutzer von der erstellten Datenbank die Graph-Rewrite-Regeln für andere Projekte verwenden.
Abstract
(Englisch)
Enzymes play a very important role in the metabolism of the organism. All metabolic steps / processes are catalysed by enzymes. The aim of the master's thesis was to create a database, which is publicly accessible on a website, in order to store graph rewrite rules for chemical, enzymatic reaction graphs and to build on demand chemical reaction networks. When examining chemical reaction networks, the interest lies in recognizing in which atoms of the educts were converted to which atoms of the products during a biochemical reaction. Graph databases are a useful tool for an efficient and convenient way to store and explore chemical networks. At the current situation networks at the level of atom redistribution cannot be build from databases, because in the databases the reactions are just stored as images and as overall reactions data which is not suited for generative network construction approaches. In addition, reaction databases usually only list compounds and sometimes transformations, not atom mappings itself. The atom mappings of a reaction describe each non-hydrogen atom in a reactant compound and the corresponding atom in a product compound. When the atom mappings of reactions are determined, one can identify reaction centres, which can be used to study reaction mechanisms. The reaction mechanism describes in detail the individual elementary reactions of the entire chemical reaction. It can be clearly seen which reactant atoms have been converted into which product atoms. Thus, the atoms of the chemical reactions within the reaction can be followed. In order to enable this generative approach, the biochemistry must first be made fully accessible as graph rewrite rules, in order to then find the reaction centres, that part of the reaction in which the bonds are broken or newly formed. A chemical graph rewrite rule is an aggregated abstraction of elementary quantum mechanical steps of electron reconfiguration, which must take place in order to implement the structural change of the chemical reaction. In this sense, the context of a graph rewrite rule must include all necessary physical-chemical properties that must be present so that the elementary quantum mechanical steps for implementing the structural change can take place. These would be the first steps towards the data-driven generation of reaction networks. The aim of this database is to be used by people with little or no chemical experience. A useful application of this approach is the synthetic design of enzyme-catalysed pathways. Because of the network, synthetic pathways are easier to understand and it is also clear which transformation can be catalysed by which enzyme. The automated construction of atom redistribution networks, induced by a pre-specified set of enzymes, required for the interpretation of isotope-labelling experiments in the context of metabolic flux analysis is another future application area of the database. Another advantage would be that the graph rewrite rules are stored in the created database as a minimum and maximum version and can always be accessed. The maximum graph rewrite rule contains all atoms with the atom mappings of the entire reaction. The minimal graph rewrite rule only contains those atoms in which the bonds are directly formed or broken, i.e. the reaction center. In this way the user can use the graph rewrite rules also for other projects from the created database.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
graph rewrite rules enzymatic reaction chemical networks database graph modelling language atom maps
Schlagwörter
(Deutsch)
Grafik-Umschreibungsregeln enzymatische Reaktionen chemische Netzwerke Datenbank Grafikmodellierungssprache Atomkartierung
Autor*innen
Bojana Ristivojcevic
Haupttitel (Englisch)
Creating an enzymatic database with graph rewrite rules
Paralleltitel (Deutsch)
Erstellung einer enzymatischen Datenbank mit Grafik-Umschreibungsregeln
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
94 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christoph Flamm
Klassifikationen
35 Chemie > 35.00 Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen
AC Nummer
AC16488037
Utheses ID
60790
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1