Как бактерии адаптируют свои механизмы для оптимального роста

Дата публикации: 19 октября 2020

Ученые объясняют причины разных вариаций роста бактерий и их связь с внешними условиями, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Communications.

Самыми важными компонентами для функционирования биологической клетки являются ее белки. Поэтому производство белка, возможно, является наиболее важным процессом для роста клеток. Чем выше скорость роста бактерий, тем быстрее должен происходить синтез белка. Поскольку синтез белка является наиболее затратным клеточным процессом с точки зрения использования клеточных ресурсов, кажется разумным предположить, что клетка увеличивает производственные мощности за счет размещения большего количества копий сложного механизма пропорционально скорости ее роста. Это будет означать, что для увеличения вдвое потребуется вдвое больше копий всех компонентов переводческой машины.

Однако с 1960-х годов стало ясно, что все не так просто. Напротив, состав «коктейля» из отдельных компонентов в механизме, который сам состоит из белков и РНК, зависит от скорости роста. Новая сложная компьютерная модель, разработанная в Дюссельдорфе, показывает, какие концентрации отдельных компонентов необходимы для получения различных скоростей синтеза, и впервые объясняет причины наблюдаемых вариаций в разных условиях роста.

Модель разработала Сяо-Пан Ху - докторант группы вычислительной клеточной биологии профессора доктора Мартина Лерчера в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе. Ху использовал компьютерное моделирование для кодирования установленных биохимических принципов на клеточном уровне. Полученную модель можно использовать для расчета скорости, с которой клетка может производить свои компоненты, и, таким образом, прогнозировать рост клетки на основе заранее определенного состава ее механизмов.

Теоретически каждая производительность может быть реализована с использованием большого количества различных концентраций молекул. Возникает вопрос: что делает природа? Какую из многих возможных композиций используют настоящие бактерии Escherichia coli («E. coli») и почему? Ху и его коллеги основали свою работу на простом предположении, отражающемся повсюду в природе: организм обычно имеет эволюционное преимущество, если ему требуется как можно меньше ресурсов для своего развития. Поэтому команда исследовала множество возможных составов для того, чтобы найти тот, который является «самым дешевым» для клетки, то есть тот, который требует наименьшей возможной общей массы молекул.

Сравнение с экспериментальными данными показывает, что это предположение верно и точно предсказывает концентрации, измеренные в реальных колониях бактерий E. coli. Это позволило исследовательской группе из Дюссельдорфа не только количественно описать данные, но и реально понять причины, лежащие в основе этих данных, а именно то, что принцип, встречающийся во многих других областях жизни, также применим и здесь.

В ходе дальнейшего анализа модель также оказалась точной для ситуаций, когда бактерии подвергаются воздействию антибиотиков. В подобных исключительных обстоятельствах бактерии испытывают особый стресс и нуждаются в иных инструментах для роста.

Исследовательская группа в настоящее время изучает, можно ли применить результаты исследования синтеза белка к другим клеточным процессам и другим организмам. Модели, разработанные в рамках этой работы, также должны помочь более эффективно разрабатывать биотехнологические процедуры. Они позволяют рассчитывать оптимальные концентрации отдельных компонентов в клетке для желаемой биологической продукции.

Поделиться: