Zellstoffwechselnetze

Zellstoffwechselnetze beschreiben die Gesamtheit aller biochemischen Reaktionen, die in einer Zelle stattfinden, sowie die Netzwerkstruktur, die durch Substratflüsse, Enzymkatalyse und Regulationsmechanismen entsteht. In einem solchen Netzwerk wirken mehrere zentralen Stoffwechselweg‑ und -kreisläufe wie Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette und Pentosephosphatweg in enger Wechselwirkung, um Energie, Biomasse und Signalmoleküle zu erzeugen. Zusätzlich tragen anorganische Stoffwechselwege wie das Stickstoffkreislauf- und Phosphorstoffwechselnetz wesentlich zur Aufrechterhaltung des zellulären Gleichgewichts bei.

Zellstoffwechselnetze werden häufig in der Systemsbiologie untersucht, wobei graphentheoretische Konzepte wie Knoten (Moleküle), Kanten (Reaktionen) und Pfade verwendet werden. Der Vergleich von Netzwerksparametern – beispielsweise Knotengradverteilungen, KOI‑Werten, Homeostase und Robustheit gegenüber Mutationen – liefert Einblicke in die funktionelle Organisation zellulärer Systeme. Computational‑Methoden wie Flux‑Balance‑Analysis (FBA) und stoichastische Simulationen erlauben die Vorhersage von Stoffwechsel­flüssen unter definierten Bedingungen. Darüber hinaus ermöglichen integrative Ansätze, die Gewebe- und Organisierungsdaten mit metabolischen Netzwerken verknüpfen, die Untersuchung von zelltyp­spezifischen Stoffwechseln und des Einflusses auf Krankheiten wie Krebs oder Stoffwechselstörungen.

Die Kenntnis von Zellstoffwechselnetzen ist für die biotechnologische Optimierung von Mikroorganismen, die Entwicklung antibiotischer Targets und die Erforschung von Stoffwechseldis­orderen von zentraler Bedeutung. Durch fortschreitende Sequenzierung, Metabolomik und –omics‑Daten wird die Netzwerkkomplexität weiter erschlossen, sodass strombasierte Therapien und synthetische Biologie*innen komplexe zelluläre Produkte gezielt steuern können.