Model forudsiger, hvordan E. coli -bakterier tilpasser sig under stress

Forskere ved University of California San Diego har udviklet en genomskala-model, der præcist kan forudsige hvordan E coli bakterier reagerer på temperaturændringer og genetiske mutationer. Arbejdet har til formål at give et omfattende, forståelse på systemniveau af, hvordan celler tilpasser sig under miljøbelastning. Værket har anvendelser inden for præcisionsmedicin, hvor adaptiv cellemodellering kunne give patientspecifikke behandlinger for bakterielle infektioner.

Et team ledet af Bernhard Palsson, professor i bioingeniør ved UC San Diego, udgav værket den 10. oktober i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"For at have fuld kontrol over levende celler, vi er nødt til at forstå de grundlæggende mekanismer, hvormed de overlever og hurtigt tilpasser sig skiftende miljøer, "sagde Ke Chen, en postdoktor ved UC San Diego og undersøgelsens første forfatter.

Et grundlæggende princip bag dette arbejde er, at ændringer i miljøet forårsager ændringer i en celles proteinstruktur. For eksempel, højere temperaturer destabiliserer proteinmolekyler. Den nye genmodelberegningsmodel, kaldet FoldME, forudsiger hvordan E coli celler reagerer på temperaturstress og omfordeler derefter deres ressourcer til stabilisering af proteiner. "Jo mere proteiner destabiliserer, jo flere ressourcer der afsættes til at stabilisere dem igen, gør ressourcer mindre tilgængelige for vækst og andre cellulære funktioner, "Forklarede Palsson.

For at konstruere FoldME, teamet sammensatte først strukturerne for alle proteinmolekylerne i E coli celler og integrerede derefter disse data i eksisterende genomskala-modeller for metabolisme og proteinekspression for E coli . Næste, de beregnede en biofysisk profil, der repræsenterer, hvor godt hvert protein folder ved forskellige temperaturer. Da proteiner normalt har brug for små molekyler kaldet chaperones for at hjælpe dem med at folde ved høje temperaturer, forskerne indarbejdede også chaperone-assisterede foldningsreaktioner i modellen. De satte derefter modellen til at maksimere cellevækst.

FoldME simulerede nøjagtigt svaret på E coli celler i et bredt temperaturområde og gav detaljer om de strategier, de brugte til at tilpasse ved hver forskellige temperatur. Modellens forudsigelser var i overensstemmelse med eksperimentelle fund. For eksempel, det gengav korrekt variationerne i E coli cellevækst ved forskellige temperaturer. FoldME -simuleringer viste det også E coli celler forbruger en anden type sukker ved høje temperaturer.

Modellen evaluerede også, hvordan mutationer i et enkelt gen påvirker E coli cellers reaktion på stress. Det forudsagde, at punktmutationer i et enkelt metabolisk gen kaldet DHFR resulterer i differentiel ekspression af et stort antal proteiner. Dette blev også bekræftet af eksperimentelle fund.

Et andet vigtigt aspekt af dette arbejde er, at det fremhæver regulatoriske rolle på systemniveau for chaperone-netværket, som er blevet overset i tidligere undersøgelser, Sagde Chen. Chaperones yder en kritisk service, idet de hjælper proteiner med at folde under stress (ved højere temperaturer), men deres service er en begrænset ressource, der deles af alle proteiner i cellen. At hjælpe en proteinfoldning betyder, at en chaperone ikke er tilgængelig for at hjælpe andre proteiner med at folde sig - en begrænsning, der påvirker den strukturelle integritet af resten af ​​cellens proteiner. Dette dræner også tilgængelige ressourcer fra proteinsyntese, sætter en streng translationel begrænsning på alle proteiner, forskere forklaret.

"Ved hjælp af beregninger af de første principper, vi kan få en dyb forståelse af, hvordan flere proteinfoldningshændelser, chaperonregulering og andre intracellulære reaktioner arbejder alle sammen for at sætte cellen i stand til at reagere på miljømæssige og genetiske belastninger, "Sagde Chen.

"Det er værd at bemærke, at vi ved, at tilpasning til kemisk stress og skiftende næringsstoffer typisk kun kræver en håndfuld mutationer, mens tilpasning til temperaturstress er meget vanskeligere og forudsiges at kræve et stort antal mutationer, "Tilføjede Palsson.

Næste trin involverer eksperimentelle tests på modellen, der har til formål at undersøge, hvordan bakterier tilpasser sig ved højere temperaturer. Teamet planlægger også at studere tilpasningsprocesserne for andre sygdomsfremkaldende bakterier-såsom diarréfremkaldende E coli , M. tuberkulose og staphbakterier - under stress, der efterligner forhold i deres oprindelige menneskelige levesteder.