Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Vorteil, anders zu sein

05.01.2009
Wissenschaftler des Zentrums für Molekulare Biologie und des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg sowie der Universität Freiburg demonstrieren, dass die Individualität von Bakterien evolutionäre Vorteile haben kann

Auch genetisch identische Organismen weisen individuell stark schwankende Konzentrationen bestimmter Proteine auf. Am Beispiel des bakteriellen Chemotaxissystems haben Wissenschaftler diese Proteinkonzentrationen in Einzelzellmessungen bestimmt und durch Computer-Modelle des Regelsystems gezeigt, dass diese Schwankungen dazu dienen können, die Bakterienpopulation fit für unvorhergesehene Änderungen in ihrer Umwelt zu machen.

Nicht nur Menschen, sondern auch alle anderen Organismen sind Individuen, und das kann evolutionär durchaus sinnvoll sein: weil unterschiedliche Individuen nicht alle auf dieselben Signale in gleicher Weise reagieren, ist stets ein Teil der Population auf künftige Änderungen der Umwelt besser vorbereitet, d.h. die Population als Ganzes kann sich so besser an Änderungen anpassen. Die Überprüfung dieser These ist bei höheren Organismen schwer, weil die Umgebung und das Verhalten dieser Organismen sehr komplex sind. Wissenschafter des Zentrums für Molekulare Biologie (ZMBH) und des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) der Universität Heidelberg sowie des Zentrums für Biosystemanalyse der Universität Freiburg haben in einer Arbeit, die nun in PLoS Computational Biology veröffentlich wurde, die kleinsten und einfachsten Organismen - Bakterien - untersucht, um zu zeigen, wie eine Bakterienpopulation von Unterschieden zwischen Individuen profitieren kann.

Bei einfachen einzelligen Organismen wie Bakterien sind es vor allem die interzellulären Variationen von Proteinmengen, die diese individuell machen. Solche Variationen entstehen spontan durch die stochastische Natur der Proteinproduktion, und betreffen gleichermaßen bakterielle und eukaryotische Zellen. Die Forschungsgruppe von Dr. Victor Sourjik am ZMBH beschäftigt sich seit Jahren mit der Charakterisierung dieser interzellulären Variationen und untersucht deren Auswirkungen auf das chemotaktische Verhalten von Escherichia coli-Bakterien.

Die Chemotaxis ermöglicht es Bakterien, chemische Gradienten in ihrer Umgebung zu verfolgen, um auf Nahrungsmolekülen zu schwimmen oder giftige Stoffe zu meiden. Dieses Verhalten beruht auf einem einfachen Kontrollmechanismus, das ein Signal an die Flagellenmotoren sendet, wann immer eine Bakterienzelle im Gradienten in eine günstige Richtung schwimmt. Um zu gewährleisten, dass die Bakterien ansteigende chemische Reize kontinuierlich wahrnehmen können, wird die Empfindlichkeit nach einer kurzen Pause durch ein Adaptationssystem zurückgesetzt. Solche Adaptationen sind ein integrer Teil der meisten sensorischen Systeme, wie z.B. auch beim menschlichen Sehen - zuerst werden wir durch helles Licht geblendet, dann aber adaptieren sich unsere Augen an die Helligkeit, und wir können die Grautöne wieder unterscheiden.

In der bakteriellen Chemotaxis wird die Adaptation durch zwei Enzyme vermittelt, deren Konzentrationen von Zelle zur Zelle erstaunlich stark schwanken. Das hat zur Folge, dass einige Zellen schnell und andere langsam adaptieren, was auf den ersten Blick ein Nachteil zu sein scheint. Die Computersimulationen zeigen nun, dass sich wegen dieser Schwankungen nur wenige Bakterien einer Population in einem bestimmten Gradienten optimal chemotaktisch verhalten können. Bei ihnen wird der ansteigende Reiz des Lockstoffs durch die Rate der Adaptation genau ausgeglichen. Bakterien, die zu schnell oder zu langsam adaptieren, können die chemischen Reize nicht richtig wahrnehmen. Die optimale Adaptationsrate hängt aber direkt von der Gradientenstärke ab, und hier kommt der Vorteil der Heterogenität einer Population zum Tragen.

Bakterien, die in einem flachen Gradienten schlecht abschneiden, weil sie zu schnell adaptieren, können dafür einen steileren Gradienten optimal verfolgen. Da die Gradienten in der Umwelt nicht vordefiniert sind, profitiert die Population als Ganzes davon, dass sich die Adaptationszeiten einzelner Zellen voneinander unterscheiden und es immer Zellen gibt, die den einen oder anderen Nährstoffgradienten verfolgen und dabei neue Nahrungsquellen entdecken können.

Originaltext: PLoS Computational Biology; Article #08-PLCB-RA-0555R2: "Dependence of Bacterial Chemotaxis on Gradient Shape and Adaptation Rate". Autoren: Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH); Dirk Lebiedz, Universität Freiburg; Nikita Vladimirov, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg (IWR); Linda Løvdok, ZMBH

Rückfragen bitte an:
Dr. Victor Sourjik
v.sourjik@zmbh.uni-heidelberg.de
Dr. Ralf Tolle
ZMBH
Referent des Direktors
Tel. 06221 546816, Fax 545507
r.tolle@zmbh.uni-heidelberg.de
http://www.zmbh.uni-heidelberg.de
Allgemeine Rückfragen von Journalisten auch an:
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
michael.schwarz@rektorat.uni-heidelberg.de
Irene Thewalt
Tel. 06221 542310, Fax 542317
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Dr. Michael Schwarz | idw
Weitere Informationen:
http://www.zmbh.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie