Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bakterieller Kontrollmechanismus zur Anpassung an wechselnde Bedingungen

13.12.2017

Eine der grundlegenden Voraussetzungen für das Leben auf der Erde ist die Fähigkeit der Lebewesen, sich an wechselnde Umgebungsbedingungen anzupassen. Physiker der Technischen Universität München (TUM) und der Universität von Kalifornien in San Diego (UCSD) haben nun herausgefunden, dass die Regelmechanismen, die ein Bakterium nutzt, um sich an unterschiedliche Umgebungen anpassen, auf einem globalen Kontrollprozess basieren und sich mit einer einzigen Gleichung beschreiben lassen.

Auf der Erde ändern sich Umweltbedingungen wie Temperatur, Licht, Verfügbarkeit von Nahrung und viele andere Parameter dauernd. Jeder Organismus und sogar jede Zelle hat daher unzählige Mechanismen, um sich diesen Änderungen anzupassen.


Bakterienkulturen im Wasserbad. Reaktionen auf ein wechselndes Nährstoffangebot ermöglichen Rückschlüsse auf deren Regulierung

Foto: Johannes Wiedersich / TUM

Eines der am besten untersuchten Beispiele ist Escherichia Coli, ein Bakterium, das auch im Darm des Menschen lebt. Stündlich ändert sich das Nahrungsangebot. Um zu überleben, muss das Bakterium auf die wechselnden Bedingungen reagieren können.

Jacques Monod erhielt 1965 den Nobelpreis für den Nachweis, dass sich Bakterien anpassen, indem sie je nach Bedarf unterschiedliche Proteine herstellen. Beispielsweise synthetisieren sie ein Enzym zur Spaltung des Milchzuckers Laktose, wenn die Nahrung Laktose enthält.

Allerdings ist es trotz großen Interesses und gewaltiger Forschungsanstrengungen über mehr als ein halbes Jahrhundert nicht gelungen, die biochemischen Details dieses komplizierten Regelmechanismus vollständig aufzuklären und damit zu verstehen.

Kinetik der Anpassung

Die Teams von Ulrich Gerland, Professor im Physik-department der TU München und Professor Terence Hwa von der UCSD konzentrierten sich daher auf die grundsätzlichen Mechanismen der Regulierung und weniger auf die molekularen Details der Reaktionsketten. Sie stellten sich die Frage: Wie schnell passen sich Bakterien Änderungen ihrer Umgebung an?

Im Labor erforschten sie das Wachstum der Bakterien, indem sie zunächst wenig und dann plötzlich reichlich Nahrung zur Verfügung stellten – und umgekehrt. Das Wachstum der Bakterien reagiert darauf mit einer Verzögerung, die auf dem Anpassungsprozess beruht.

Versorgten sie ihre Bakterien zunächst mit einer bestimmten Sorte Nahrung und später mit anderen Nährstoffen, verlangsamt sich das Wachstum vorübergehend, obwohl immer ausreichend Nahrung vorhanden ist. Der Grund: Die Bakterien müssen zunächst ihre Verdauung umstellen. Sie passen dazu die Konzentration bestimmter Enzyme an – und deren Synthese dauert eine Zeit.

Das Modell des Fließgleichgewichts

Um die Mechanismen der Anpassung genauer aufzuklären, entwickelten die Physiker ein Modell. In einem Top-down-Ansatz verwendet dieses lediglich qualitatives Wissen über die biochemischen Details der Regulationsmechanismen. Es bilanziert den Stofffluss in der Zelle und erlaubt es, Gleichungen für den Materialtransport aufzustellen. Unter Berücksichtigung der Stoffbilanz gelang es den Wissenschaftlern, die unterschiedlichen Regelmechanismen zu einer globalen Differenzialgleichung zusammenzufassen.

„Unser Modell des Fließgleichgewichts der Regulierung beschreibt die zeitlichen Verläufe der Anpassungsprozesse an sich ändernde Nahrungsangebote wie Erhöhung, Senkung oder Wechsel des Nährstoffangebots quantitativ und ohne anpassbare Parameter richtig“, fasst Ulrich Gerland die Ergebnisse der Studie zusammen.

„Offenbar hängt die Kinetik der Wachstumsanpassung gar nicht von mikroskopischen Details der einzelnen biochemischen Reaktionen ab, sondern folgt einer globalen Strategie für die Umverteilung von Ressourcen für die Proteinsynthese“, sagt Ulrich Gerland. „Damit könnte unser theoretisches Modell auch für eine Reihe von ähnlichen kinetischen Vorgängen anwendbar sein.“

Unterstützt wurde die Forschung vom National Institutes of Health (NIH), USA, von der Simons Foundation (USA) sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich und das Schwerpunktprogramm SPP1617.

Publikationen:

Quantifying the benefit of a proteome reserve in fluctuating environments
Matteo Mori, Severin Schink, David W. Erickson, Ulrich Gerland and Terence Hwa
Nature Communications, 8, 1225 (2017) – DOI: 10.1038/s41467-017-01242-8
https://www.nature.com/articles/s41467-017-01242-8

A global resource allocation strategy governs growth transition kinetics of Escherichia coli
David W. Erickson, Severin J. Schink, Vadim Patsalo, James R. Williamson, Ulrich Gerland and Terence Hwa
Nature 551, 119–123 (2017) – DOI: 10.1038/nature24299
https://www.nature.com/articles/nature24299

Kontakt:

Prof. Dr. Ulrich Gerland
Lehrstuhl für die Theorie komplexer Biosysteme
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching
Tel.: +49 89 289-12380 – E-Mail: gerland@tum.de

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34371/ Link zur Presseinformation
http://www.qbio.ph.tum.de/ Arbeitsgruppe Gerland
https://matisse.ucsd.edu/ Arbeitsgruppe Hwa an der UCSD
https://mediatum.ub.tum.de/1421317 MediaTUM-Link

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Von der Genexpression zur Mikrostruktur des Gehirns
24.04.2018 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Nano-Ampel zeigt Risiko an
24.04.2018 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von der Genexpression zur Mikrostruktur des Gehirns

24.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Bestrahlungserfolg bei Hirntumoren lässt sich mit kombinierter PET/MRT vorhersagen

24.04.2018 | Medizintechnik

RWI/ISL-Containerumschlag-Index auf hohem Niveau deutlich rückläufig

24.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics