Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Biologi

Bakteriel kontrolmekanisme til tilpasning til skiftende forhold

For at overleve en skiftende tilførsel af næringsstoffer, bakterier udviklede strategier til at tilpasse deres stofskifte. Fysikere ved Technical University of Munich (TUM) og University of California San Diego (UCSD) har nu fastslået, at disse reguleringsmekanismer er baseret på en global kontrolproces, der kan beskrives i en enkelt ligning. Kredit:Johannes Wiedersich / TUM

En grundlæggende forudsætning for livet på jorden er levende organismeres evne til at tilpasse sig ændrede miljøforhold. Fysikere ved Technical University of Munich (TUM) og University of California San Diego (UCSD) har nu fastslået, at de reguleringsmekanismer, som bakterier bruger til at tilpasse sig forskellige miljøer, er baseret på en global kontrolproces, der kan beskrives i en enkelt ligning .

Miljøforhold som temperatur, lys, tilgængeligheden af ​​næringsstoffer og mange andre parametre ændrer sig konstant på jorden. Hver organisme og endda hver eneste celle har således utallige mekanismer til at tilpasse sig disse ændringer.

Et af de bedst undersøgte eksempler er Escherichia coli, en bakterie, der også lever i tarmene hos mennesker. Tilførslen af ​​næringsstoffer varierer fra time til time. At overleve, bakterien skal have evnen til at tilpasse sig de skiftende forhold.

I 1965, Jacques Monod modtog Nobelprisen for sit bevis på, at bakterier tilpasser sig ved at producere forskellige proteiner. For eksempel, de syntetiserer et enzym til nedbrydning af lactose, når de let tilgængelige næringsstoffer indeholder dette mælkesukker.

Imidlertid, trods stor interesse og massiv forskningsindsats i mere end et halvt århundrede, de biokemiske detaljer i denne komplicerede reguleringsmekanisme er stadig ikke fuldt ud forklaret og forstået.

Tilpasningskinetik

Holdene i Ulrich Gerland, Professor i fysikafdelingen ved TU München og professor Terence Hwa ved UCSD koncentrerede således deres arbejde om grundlæggende reguleringsmekanismer frem for de molekylære detaljer i reaktionskæderne. De overvejede spørgsmålet:Hvor hurtigt kan bakterier tilpasse sig ændringer i deres miljø?

Substraterne S1 og S2 absorberes ved at inkorporere proteiner C1 og C2. Dette genererer ernæringsstrømmen (1). Ribosomer syntetiserer proteiner (2a) fra forstadier (2a) ekstraheret fra næringsstoffet. Hver af de hvide nummererede cirkler står for en biokemisk proces, der fører til cellens tilpasning. Kredit:Schink og Gerland / TUM

I laboratoriet, de studerede bakterievæksten ved først at give dem kun en begrænset tilførsel af næringsstoffer og derefter give dem rigelige mængder - og omvendt. På grund af tilpasningsprocessen, der var en forsinkelse i bakterievæksthastigheden efter ændringerne.

Da de gav deres bakterier en slags næring først og andre senere, væksten aftog midlertidigt, selvom der altid var et stort udbud. Forklaringen:Bakterierne skulle først tilpasse deres fordøjelsessystemer. Til denne ende, bakterierne justerer koncentrationen af ​​visse enzymer i overensstemmelse hermed - og syntetisering af disse enzymer tager tid.

Steady-state modellen

Fysikerne udviklede en model for bedre at forstå tilpasningsmekanismerne. Modellen anvender kun kvalitativ information om de biokemiske detaljer i reguleringsmekanismen i en top-down tilgang. Det gør status over materialestrømme i cellen og gør det muligt at etablere ligninger, der repræsenterer materialetransporten. Ser man på materialebalancen, det lykkedes forskerne at samle de forskellige reguleringsmekanismer til en global differentialligning.

"Vores steady-state model af reguleringsmekanismen beskriver korrekt den tidsmæssige udvikling af tilpasning til skiftende næringsstoffer, samt stigninger, reduktioner og ændringer i de tilgængelige næringsstoffer, kvantitativt og uden justerbare parametre, "siger Ulrich Gerland, opsummerer undersøgelsens resultater.

"Tilsyneladende, kinetikken for væksttilpasning afhænger ikke af mikroskopiske detaljer om de enkelte biokemiske reaktioner, men overholder snarere en global strategi for omfordeling af ressourcer til proteinsyntese, "siger Ulrich Gerland. Det kan derfor tænkes, at vores teoretiske model kan være anvendelig på en række lignende kinetiske processer.