Een fundamentele voorwaarde voor leven op aarde is het vermogen van levende organismen om zich aan te passen aan veranderende omgevingsomstandigheden. Natuurkundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) en de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD) hebben nu vastgesteld dat de regulatiemechanismen die door bacteriën worden gebruikt om zich aan verschillende omgevingen aan te passen, gebaseerd zijn op een globaal controleproces dat in één enkele vergelijking kan worden beschreven. .

Omgevingscondities zoals temperatuur, licht, beschikbaarheid van nutriënten en vele andere parameters veranderen voortdurend op aarde. Elk organisme en zelfs elke cel heeft dus talloze mechanismen om zich aan deze veranderingen aan te passen.

Een van de best onderzochte voorbeelden is Escherichia coli, een bacterie die ook in de darmen van mensen leeft. De aanvoer van voedingsstoffen varieert van uur tot uur. Overleven, de bacterie moet zich kunnen aanpassen aan de veranderende omstandigheden.

In 1965, Jacques Monod kreeg de Nobelprijs voor zijn bewijs dat bacteriën zich aanpassen door verschillende eiwitten te produceren. Bijvoorbeeld, ze synthetiseren een enzym voor het afbreken van lactose wanneer de gemakkelijk beschikbare voedingsstoffen deze melksuiker bevatten.

Echter, ondanks grote belangstelling en massale onderzoeksinspanningen gedurende meer dan een halve eeuw, de biochemische details van dit gecompliceerde regelmechanisme zijn nog steeds niet volledig uitgelegd en begrepen.

Kinetiek van aanpassing

De teams van Ulrich Gerland, Professor in de natuurkundeafdeling van de TU München en professor Terence Hwa bij UCSD concentreerden hun werk dus op elementaire regelmechanismen in plaats van op de moleculaire details van de reactieketens. Ze dachten na over de vraag:hoe snel kunnen bacteriën zich aanpassen aan veranderingen in hun omgeving?

In het laboratorium, ze bestudeerden de groei van bacteriën door ze eerst slechts een beperkte voorraad voedingsstoffen te geven en ze vervolgens ruimschoots te geven - en omgekeerd. Door het aanpassingsproces er was een vertraging in de snelheid van bacteriegroei na de veranderingen.

Toen ze hun bacteriën eerst één soort voeding gaven en later andere, groei vertraagde tijdelijk, ook al was er altijd voldoende aanbod. De verklaring:De bacteriën moesten eerst hun spijsvertering aanpassen. Hiertoe, de bacteriën passen de concentratie van bepaalde enzymen dienovereenkomstig aan - en het synthetiseren van deze enzymen kost tijd.

Het stationaire model

De natuurkundigen ontwikkelden een model om de adaptatiemechanismen beter te begrijpen. Het model gebruikt alleen kwalitatieve informatie over de biochemische details van het regulatiemechanisme in een top-down benadering. Het inventariseert de materiaalstromen in de cel en maakt het mogelijk om vergelijkingen op te stellen die het materiaaltransport vertegenwoordigen. Kijkend naar de materialenbalans, de wetenschappers slaagden erin de verschillende regelmechanismen samen te brengen in één globale differentiaalvergelijking.

"Ons steady-state-model van het regulatiemechanisme beschrijft correct de temporele ontwikkeling van aanpassing aan veranderende voedingsstoffen, evenals verhogingen, verminderingen en veranderingen in de beschikbare voedingsstoffen, kwantitatief en zonder instelbare parameters, " zegt Ulrich Gerland, de resultaten van het onderzoek samenvatten.

"Blijkbaar, de kinetiek van groeiadaptatie is niet afhankelijk van microscopisch kleine details van de individuele biochemische reacties, maar eerder vasthouden aan een globale strategie voor de herverdeling van middelen voor eiwitsynthese, ", zegt Ulrich Gerland. Het is dus denkbaar dat ons theoretische model van toepassing is op een reeks vergelijkbare kinetische processen.