En grundläggande förutsättning för liv på jorden är levande organismers förmåga att anpassa sig till förändrade miljöförhållanden. Fysiker vid Technical University of Munich (TUM) och University of California San Diego (UCSD) har nu bestämt att de regleringsmekanismer som bakterier använder för att anpassa sig till olika miljöer är baserade på en global kontrollprocess som kan beskrivas i en enda ekvation .

Miljöförhållanden som temperatur, ljus, tillgången på näringsämnen och många andra parametrar förändras ständigt på jorden. Varje organism och till och med varje cell har således otaliga mekanismer för att anpassa sig till dessa förändringar.

Ett av de bäst undersökta exemplen är Escherichia coli, en bakterie som även lever i tarmarna hos människor. Tillgången på näringsämnen varierar från timme till timme. Att överleva, bakterien måste ha förmågan att anpassa sig till de förändrade förhållandena.

1965, Jacques Monod fick Nobelpriset för sitt bevis på att bakterier anpassar sig genom att producera olika proteiner. Till exempel, de syntetiserar ett enzym för att bryta ner laktos när de lättillgängliga näringsämnena innehåller detta mjölksocker.

Dock, trots stort intresse och massiva forskningsinsatser under mer än ett halvt sekel, de biokemiska detaljerna i denna komplicerade regleringsmekanism är fortfarande inte helt förklarade och förstådda.

Kinetik för anpassning

Lagen av Ulrich Gerland, Professor vid fysikavdelningen vid TU München och professor Terence Hwa vid UCSD koncentrerade alltså sitt arbete på grundläggande regleringsmekanismer snarare än de molekylära detaljerna i reaktionskedjorna. De funderade på frågan:Hur snabbt kan bakterier anpassa sig till förändringar i sin miljö?

I laboratoriet, de studerade tillväxten av bakterier genom att först ge dem en begränsad tillgång på näringsämnen och sedan förse dem med rikliga mängder – och vice versa. På grund av anpassningsprocessen, det fanns en fördröjning i takten för bakterietillväxt efter förändringarna.

När de gav sina bakterier en sorts näring först och andra senare, tillväxten avtog tillfälligt, även om det alltid fanns gott om utbud. Förklaringen:Bakterierna fick först anpassa sina matsmältningssystem. För detta ändamål, bakterierna justerar koncentrationen av vissa enzymer i enlighet därmed - och att syntetisera dessa enzymer tar tid.

Den stationära modellen

Fysikerna utvecklade en modell för att bättre förstå anpassningsmekanismerna. Modellen använder endast kvalitativ information om de biokemiska detaljerna i regleringsmekanismen i en top-down-ansats. Den tar inventering av materialflöden i cellen och gör det möjligt att upprätta ekvationer som representerar materialtransporten. Om man tittar på materialbalansen, forskarna lyckades sammanställa de olika regleringsmekanismerna till en global differentialekvation.

"Vår steady-state modell av regleringsmekanismen beskriver korrekt den tidsmässiga utvecklingen av anpassning till förändrade näringsämnen, samt ökningar, minskningar och förändringar av tillgängliga näringsämnen, kvantitativt och utan justerbara parametrar, säger Ulrich Gerland, sammanfattar resultaten av studien.

"Tydligen, kinetiken för tillväxtanpassning beror inte på mikroskopiska detaljer i de individuella biokemiska reaktionerna, utan snarare hålla fast vid en global strategi för omfördelning av resurser för proteinsyntes, ", säger Ulrich Gerland. Det är därför tänkbart att vår teoretiska modell kan vara tillämpbar på en rad liknande kinetiska processer.