Бактериальный механизм контроля для адаптации к меняющимся условиям
Фундаментальное условие для жизни на Земле — способность организмов адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды. Физики из Технического университета Мюнхена (TUM) и Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) определили, что механизмы регуляции, используемые бактериями для адаптации, основаны на глобальном процессе управления, который можно описать одним уравнением.
Условия окружающей среды, такие как температура, свет, доступность питательных веществ и другие параметры, постоянно меняются. Каждый организм и даже каждая клетка имеют множество механизмов для адаптации к этим изменениям.
Один из наиболее изученных примеров — Escherichia coli, бактерия, обитающая в кишечнике человека. Поступление питательных веществ меняется ежечасно. Чтобы выжить, бактерия должна уметь адаптироваться.
В 1965 году Жак Моно получил Нобелевскую премию за доказательство, что бактерии адаптируются, производя разные белки. Например, они синтезируют фермент для расщепления лактозы, когда в доступных питательных веществах есть этот молочный сахар.
Однако, несмотря на масштабные исследования на протяжении более полувека, биохимические детали этого сложного регуляторного механизма до сих пор полностью не объяснены.
Кинетика адаптации
Команды профессора Ульриха Герланда (физический факультет TUM) и профессора Теренса Хва (UCSD) сосредоточились на базовых регуляторных механизмах, а не на молекулярных деталях реакционных цепей. Они исследовали вопрос: как быстро бактерии могут адаптироваться к изменениям в окружающей среде?
В лаборатории они изучали рост бактерий, сначала предоставляя им ограниченное количество питательных веществ, а затем — обильное, и наоборот. Из-за процесса адаптации наблюдалась задержка в скорости роста бактерий после изменений.
Когда бактериям сначала давали один вид питательного вещества, а затем другие, рост временно замедлялся, даже при постоянном обильном снабжении. Объяснение: бактериям сначала нужно было адаптировать свою пищеварительную систему. Для этого бактерии соответствующим образом меняют концентрацию определенных ферментов — а их синтез требует времени.
Модель стационарного состояния
Физики разработали модель, чтобы лучше понять механизмы адаптации. Модель использует только качественную информацию о биохимических деталях регуляторного механизма в подходе «сверху вниз». Она учитывает материальные потоки в клетке и позволяет установить уравнения, описывающие транспорт веществ. Рассматривая баланс материалов, ученым удалось объединить различные механизмы регуляции в одно глобальное дифференциальное уравнение.
«Наша модель стационарного состояния регуляторного механизма корректно и количественно описывает временное развитие адаптации к изменяющимся питательным веществам, а также увеличение, уменьшение и изменение доступных питательных веществ — без подгоночных параметров», — резюмирует Ульрих Герланд результаты исследования.
«По-видимому, кинетика адаптации роста не зависит от микроскопических деталей отдельных биохимических реакций, а скорее подчиняется глобальной стратегии перераспределения ресурсов для синтеза белка», — говорит Ульрих Герланд.
Таким образом, можно предположить, что эта теоретическая модель может быть применима к целому ряду подобных кинетических процессов.