Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zellwachstum reguliert genetische Schaltkreise

27.01.2010
Genetische Schaltkreise kontrollieren die Aktivität von Genen und damit die Funktion von Zellen und Organismen.

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der University of California in San Diego zeigen, wie Wachstumseffekte die genetischen Schaltkreise in einer Bakterienzelle beeinflussen. Demnach können Gene auch ohne Regulierung unterschiedlich aktiv sein - je nachdem, ob sie in schnell oder langsam wachsenden Zellen in Proteine übersetzt werden. Mit diesen Ergebnissen können die Forscher besser verstehen, wie Zellen ihre Gene regulieren, und so künftig künstliche genetische Schaltkreise entwickeln. (Cell, 24. Dezember 2009)

Schaltkreise kommen nicht nur in CD-Playern, Kaffeemaschinen oder Autos vor, sondern auch in lebenden Zellen - in diesem Fall als "genetische Schaltkreise". Sie bestehen aus einem Netzwerk unterschiedlicher Gene, die sich gegenseitig stimulieren oder hemmen können. Mit Hilfe solcher Schaltkreise kann eine Zelle Gene an- oder abschalten und so kontrollieren, welche Proteine sie produziert. Genetische Schaltkreise hängen jedoch auch von der Zelle als Ganzes ab, die ausreichend Ressourcen für die Bildung von Proteinen zur Verfügung stellen muss. So kann das Standard-Laborbakterium Escherichia coli seine optimale Generationszeit von 20 Minuten auf bis zu einige Stunden ausdehnen, wenn die Nahrung knapp ist. Dies verändert nahezu alle Eigenschaften der Bakterienzellen, wie Größe oder chemische Zusammensetzung.

Proteinkonzentration unregulierter Gene sinkt bei schnellerem Wachstum

Die Wissenschaftler demonstrieren mit einem Theoriemodell sowie einfachen synthetischen genetischen Schaltkreisen in Bakterien, dass die Wachstumsgeschwindigkeit die Aktivität von Genen und damit die genetischen Schaltkreise entscheidend beeinflusst. "Wir haben uns gefragt, wie die Aktivität eines hypothetischen Gens, das überhaupt nicht reguliert wird, vom Wachstum eines Bakteriums abhängt. Dieser Zusammenhang muss nämlich berücksichtigt werden, wenn man in Experimenten eine Änderung der Genexpression feststellt", sagt Stefan Klumpp, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung.

Veränderungen innerhalb der Zelle wirken sich auf mehrere Arten auf die Konzentration an Proteinen aus. So sind in schneller wachsenden Zellen mehr RNA-Polymerasen für die Transkription von Genen vorhanden. Auf diese Weise kann das Gen häufiger ausgelesen werden. Gleichzeitig steht aber weniger Zeit zur Verfügung, um das Protein vor der nächsten Zellteilung anzureichern. Zudem sind schneller wachsende Zellen größer, was bei gleicher Anzahl von Proteinmolekülen eine geringere Konzentration zur Folge hat. Die Wissenschaftler integrierten alle Informationen in ihr theoretisches Modell und konnten so vorhersagen, wie die Wachstumsgeschwindigkeit der Bakterien die Proteinkonzentration beeinflusst. Demnach sinkt die Proteinkonzentration mit steigender Wachstumsrate - ein Ergebnis, das gut mit experimentellen Daten zu unregulierten Genen übereinstimmt.

Dass die Aktivität von Genen und genetischen Schaltkreise davon abhängt, wie schnell die Zellen wachsen, erschwert das Vermessen genetischer Schaltkreise erheblich. Denn die verschiedenen Messgrößen, die für die Charakterisierung der Aktivität von Genen benutzt werden, wie z.B. mRNA- und Proteinkonzentrationen, hängen auf unterschiedliche Weise von der Wachstumsrate ab. "Erhöht sich die Konzentration einer bestimmten Boten-RNA (mRNA) um einen Faktor drei im Vergleich zu einer anderen Messung, geht man normalerweise davon aus, dass die Genexpression hochreguliert wurde" erklärt Stefan Klumpp. "Wenn aber die Zellen mit dem höheren mRNA-Level auch schneller wachsen, könnte sich trotzdem die entsprechende Proteinkonzentration verringert haben." Veränderte Proteinkonzentrationen sind darüber hinaus nicht zwangsläufig eine Folge von regulierter Genexpression. Solche Schwankungen können auch auf verlangsamtes oder beschleunigtes Zellwachstum zurückgehen.

Feedback zwischen regulierten Genen und Zellwachstum

Die Untersuchungen zeigen zudem, wie diese Wachstumseffekte mit der Genregulierung zusammenwirken. Zum Beispiel wird die Proteinkonzentration unabhängig vom Größenwachstum, wenn ein Gen durch negative Rückkopplung kontrolliert wird: In diesem Fall wird die Proteinsynthese gestoppt, wenn eine bestimmte Zielkonzentration erreicht wird. Wächst die Zelle weiter, sinkt die Proteinkonzentration zunächst, so dass weiteres Protein bis zur Zielkonzentration gebildet wird. Das Wachstum von Zellen kann aber auch selbst zu Rückkopplungen führen: Dann nämlich, wenn das Zellwachstum von der Konzentration eines bestimmten Proteins abhängt, die wiederum an das Zellwachstum gekoppelt ist. Wirkt beispielsweise die Proteinkonzentration hemmend auf die Wachstumsrate und stellen langsamer wachsende Zellen gleichzeitig mehr von diesem Protein her (positives Feedback), kann ein Teil einer Population genetisch identischer Zellen schneller wachsen als der Rest. Dies beruht allein darauf, dass ein Zellwachstum hemmendes Protein in manchen Zellen etwas häufiger gebildet wird. Dadurch wachsen diese Zellen langsamer, was wiederum die Konzentration des Proteins steigen lässt und das Wachstum weiter verlangsamt.

Die Forscher nehmen an, dass diese Wachstumseffekte in der Natur aktiv genutzt werden, denn für Bakterien sind sie möglicherweise sogar hilfreich. Wenn sie neue Fähigkeiten erwerben, wie z.B. neue Stoffwechselfunktionen oder Toleranz gegenüber Antibiotika, können die neuen Eigenschaften auch ohne direkte Genregulierung allein durch die Wachstumseffekte reguliert werden. Daraus könnte sich dann ein regulativer Schaltkreis entwickeln.

Ansprechpartner:
Dr. Stefan Klumpp
Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Potsdam
Tel: +49 331 567 9620
Fax: +49 331 567 9612
E-Mail: klumpp@mpikg.mpg.de
Katja Schulze, Presse + Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Fon: +49 (331) 567 - 9203
Fax: +49 (331) 567 - 9202
katja.schulze@mpikg.mpg.de

Dr. Harald Rösch | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpikg.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kupferhydroxid-Nanopartikel schützen vor toxischen Sauerstoffradikalen im Zigarettenrauch
30.03.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung
30.03.2017 | Universität Basel

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: Atome rennen sehen - Phasenübergang live beobachtet

Ein Wimpernschlag ist unendlich lang dagegen – innerhalb von 350 Billiardsteln einer Sekunde arrangieren sich die Atome neu. Das renommierte Fachmagazin Nature berichtet in seiner aktuellen Ausgabe*: Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Bewegungen eines eindimensionalen Materials erstmals live verfolgen können. Dazu arbeiteten sie mit Kollegen der Universität Paderborn zusammen. Die Forscher fanden heraus, dass die Beschleunigung der Atome jeden Porsche stehenlässt.

Egal wie klein sie sind, die uns im Alltag umgebenden Dinge sind dreidimensional: Salzkristalle, Pollen, Staub. Selbst Alufolie hat eine gewisse Dicke. Das...

Im Focus: Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären...

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Atome rennen sehen - Phasenübergang live beobachtet

30.03.2017 | Physik Astronomie

Herzerkrankungen: Wenn weniger mehr ist

30.03.2017 | Medizin Gesundheit

Flipper auf atomarem Niveau

30.03.2017 | Physik Astronomie