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Bioinformatik: Ver?ffentlichung in Nature Communications
Wie Bakterien ihre Maschinerie anpassen, um optimal zu wachsen

Die winzigen ?Maschinení░, die die Prozesse in Bakterienzellen am Laufen halten, bestehen aus einer Vielzahl verschiedener Proteine und RNA-MolekĘ╣len. Bakterien mĘ╣ssen diese, je nach Wachstumsrate, in unterschiedlichen Konzentrationen herstellen. Bioinformatiker der Heinrich-Heine-Universit?t DĘ╣sseldorf (HHU) haben ein Modell entwickelt, mit dem zum ersten Mal die genaue Zusammensetzung dieses ?Cocktailsí░ fĘ╣r ein zentrales zellul?res System verstanden werden kann. Ihre auch fĘ╣r die Biotechnologie relevanten Ergebnisse stellen sie im ╝¬¤Ú╗ó┬█╠│╣┘═°schaftsjournal Nature Communications vor.

Escherichia coli-Bakterien unter dem Rasterelektronenmikroskop. (Foto: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH / Wikimedia Commons)

Die wichtigsten Bausteine fĘ╣r die Funktion einer biologischen Zelle sind ihre Proteine; deshalb ist die Proteinherstellung der wohl wichtigste Prozess beim Zellwachstum. Je schneller ein Bakterium w?chst, umso schneller muss die Proteinproduktion ablaufen. Weil diese Produktion der – in Bezug auf die eingesetzten zellul?ren Ressourcen – „teuerste“ Prozess in der Zelle ist, k?nnte man intuitiv annehmen, dass die Produktion nur dadurch gesteigert werden kann, dass die Zelle proportional zur Wachstumsrate mehr Kopien der dafĘ╣r notwendigen komplizierten Maschinerie produziert: Eine Verdoppelung des Wachstums wĘ╣rde dann auch zweimal so viele Kopien aller Bestandteile der Produktionsmaschinerie ben?tigen.

Seit den 1960er Jahren ist aber klar, dass es so einfach nicht ist: Tats?chlich unterscheidet sich, je nach Wachstumsrate, die Zusammensetzung des Cocktails aus den verschiedenen Bausteinen der Maschinerie, die selbst aus Proteinen sowie aus RNA besteht. Warum dies so ist und wie hoch die Konzentration der unterschiedlichen Bausteine fĘ╣r welche Produktionsrate sein muss, kann nun erstmals mit einem komplexen Computermodell aus DĘ╣sseldorf erkl?rt werden.

Entwickelt hat es Xiao-Pan Hu, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Lercher am HHU-Institut fĘ╣r Computational Cell Biology. Hu hat dazu bekannte biochemische Gesetzm??igkeiten innerhalb der Zelle fĘ╣r den Computer kodiert und kann damit errechnen, wie schnell eine Zelle bei einer vorgegebenen Zusammensetzung ihrer Maschinerie ihre Bausteine herstellen und damit wachsen kann.

Doch jede Produktionsrate ist theoretisch mit einer Vielzahl verschiedener MolekĘ╣lkonzentrationen realisierbar. Die Frage ist: Was macht die Natur, welche Zusammensetzung – von den vielen m?glichen – verwenden reale Escherichia coli-Bakterien (kurz E. coli), und warum? Hu und seine Kollegen haben sich dazu einer einfachen Annahme bedient, die sich Ę╣berall in der Natur widerspiegelt: Ein Lebewesen hat in der Regel dann einen evolution?ren Vorteil, wenn es fĘ╣r seine Entwicklung m?glichst wenige Ressourcen ben?tigt. Daher wurde – unter den vielen m?glichen – diejenige Zusammensetzung der Maschinerie gesucht, die am „billigsten“ fĘ╣r die Zelle ist, d.h. die die kleinstm?glichste Gesamtmasse der ben?tigten MolekĘ╣le hat.

Vergleiche mit experimentellen Daten zeigen, dass diese Annahme genau richtig ist und jeweils die an echten E. coli-Bakterienkolonien gemessenen Konzentrationen am besten wiedergibt. Damit konnte das DĘ╣sseldorfer Forschungsteam die Daten aber nicht nur quantitativ beschreiben, sondern auch tats?chlich die HintergrĘ╣nde verstehen: N?mlich, dass auch hier ein an vielen Stellen zu findendes Prinzip des Lebens dahinterliegt.

In weiteren Analysen bew?hrte sich das Modell auch fĘ╣r Situationen, bei denen die Bakterien Antibiotika ausgesetzt sind; in solchen Ausnahmesituationen stehen die Bakterien unter besonderem Stress und ben?tigen einen anders sortierten Baukasten zum Wachsen.

Aktuell untersucht die Forschungsgruppe, ob sich die Ergebnisse fĘ╣r die Proteinproduktion auch auf die Ę╣brigen Prozesse in der Zelle sowie auf andere Organismen Ę╣bertragen lassen. Die dabei entwickelten Modelle sollen auch dabei helfen, biotechnologische Verfahren effizienter zu gestalten: Sie erlauben, fĘ╣r eine gewĘ╣nschte biologische Produktion die optimalen Konzentrationen der verschiedenen Bausteine in der Zelle zu berechnen.

Originalpublikation

Xiao-Pan Hu, Hugo Dourado, Peter Schubert, Martin J. Lercher, The protein translation machinery is expressed for maximal efficiency in Escherichia coli, Nat. Comm.

DOI: 10.1038/s41467-020-18948-x

Autor/in:
Kategorie/n: Schlagzeilen, Pressemeldungen, Forschung News
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