Forskare vid University of California San Diego har utvecklat en genomskalemodell som exakt kan förutsäga hur E coli bakterier svarar på temperaturförändringar och genetiska mutationer. Arbetet syftar till att ge en heltäckande, Förståelse på systemnivå för hur celler anpassar sig under miljöstress. Verket har tillämpningar inom precisionsmedicin, där adaptiv cellmodellering kan ge patientspecifika behandlingar för bakteriella infektioner.

Ett team under ledning av Bernhard Palsson, professor i bioingenjör vid UC San Diego, publicerade verket den 10 oktober in Förfaranden från National Academy of Sciences .

"För att ha full kontroll över levande celler, vi måste förstå de grundläggande mekanismerna genom vilka de överlever och snabbt anpassa sig till förändrade miljöer, "sa Ke Chen, en postdoktor vid UC San Diego och studiens första författare.

En grundläggande princip bakom detta arbete är att förändringar i miljön orsakar förändringar i en cells proteinstruktur. Till exempel, högre temperaturer destabiliserar proteinmolekyler. Den nya beräkningsmodellen i genomskala, kallas FoldME, förutspår hur E coli celler reagerar på temperaturstress och omfördelar sedan sina resurser för att stabilisera proteiner. "Ju mer proteinerna destabiliseras, ju mer resurser som ägnas åt att återstabilisera dem, göra resurser mindre tillgängliga för tillväxt och andra cellulära funktioner, "Förklarade Palsson.

För att konstruera FoldME, laget sammanställde först strukturerna för alla proteinmolekylerna i E coli celler och sedan integrerade dessa data i befintliga genom-skala modeller av metabolism och proteinuttryck för E coli . Nästa, de beräknade en biofysisk profil som representerar hur väl varje protein veck vid olika temperaturer. Eftersom proteiner vanligtvis behöver små molekyler som kallas chaperones för att hjälpa dem att vikas vid höga temperaturer, forskarna införlivade också chaperone-assisterade vikningsreaktioner i modellen. De ställde sedan in modellen för att maximera celltillväxthastigheten.

FoldME simulerade exakt svaret på E coli celler i ett brett temperaturintervall och gav detaljer om de strategier de använde för att anpassa sig vid varje olika temperatur. Modellens förutsägelser överensstämde med experimentella fynd. Till exempel, det reproducerade korrekt variationerna i E coli celltillväxthastighet vid olika temperaturer. FoldME -simuleringar visade också det E coli celler konsumerar en annan typ av socker vid höga temperaturer.

Modellen utvärderade också hur mutationer i en enda gen påverkar E coli cellernas reaktion på stress. Den förutspådde att punktmutationer i en enda metabolisk gen som kallas DHFR resulterar i differentiellt uttryck av ett stort antal proteiner. Detta bekräftades också av experimentella fynd.

En annan viktig aspekt av detta arbete är att det lyfter fram systemregleringsrollen för chaperone-nätverket, som har förbisetts i tidigare studier, Sa Chen. Chaperones tillhandahåller en kritisk tjänst genom att de hjälper proteiner att vika sig under stress (vid högre temperaturer), men deras service är en begränsad resurs som delas av alla proteiner i cellen. Att hjälpa en proteinveck betyder att en chaperone inte är tillgänglig för att hjälpa andra proteiner att vika - en begränsning som påverkar den strukturella integriteten hos resten av cellens proteiner. Detta tappar också tillgängliga resurser från proteinsyntes, sätter en strikt translationell begränsning på alla proteiner, förklarade forskare.

"Med beräkningar av de första principerna, vi kan få en djup förståelse av hur flera proteinveckningshändelser, chaperonreglering och andra intracellulära reaktioner samverkar för att göra det möjligt för cellen att svara på miljömässiga och genetiska påfrestningar, "Sa Chen.

"Det är värt att notera att vi vet att anpassning till kemisk stress och förändrade näringsämnen vanligtvis bara kräver en handfull mutationer, medan anpassning till temperaturstress är mycket svårare och förutses kräva ett stort antal mutationer, tillade Palsson.

Nästa steg innebär experimentella tester på modellen som syftar till att utforska hur bakterier anpassar sig vid högre temperaturer. Teamet planerar också att studera anpassningsprocesser för andra sjukdomsframkallande bakterier-till exempel diarréframkallande E coli , M. tuberkulos och staphbakterier - under betonningar som efterliknar förhållanden i deras inhemska livsmiljöer.