Фундаментальной предпосылкой жизни на Земле является способность живых организмов приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. Физики из Мюнхенского технического университета (TUM) и Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) установили, что механизмы регуляции, используемые бактериями для адаптации к различным средам, основаны на глобальном процессе управления, который можно описать одним уравнением..
Условия окружающей среды, такие как температура, свет, доступность питательных веществ и многие другие параметры, постоянно меняются на Земле. Таким образом, каждый организм и даже каждая клетка имеют множество механизмов адаптации к этим изменениям.
Одним из наиболее изученных примеров является Escherichia coli, бактерия, которая также живет в кишечнике человека. Запас питательных веществ меняется от часа к часу. Чтобы выжить, бактерия должна иметь возможность приспосабливаться к изменяющимся условиям.
В 1965 году Жак Моно получил Нобелевскую премию за доказательство того, что бактерии адаптируются, производя разные белки. Например, они синтезируют фермент для расщепления лактозы, когда легкодоступные питательные вещества содержат этот молочный сахар.
Однако, несмотря на большой интерес и масштабные исследования в течение более чем полувека, биохимические детали этого сложного регуляторного механизма до сих пор полностью не объяснены и не поняты.
Кинетика адаптации
Команды Ульриха Герланда, профессора физического факультета Мюнхенского технического университета, и профессора Теренса Хва из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, таким образом, сосредоточили свою работу на основных регуляторных механизмах, а не на молекулярных деталях реакционных цепей. Они рассмотрели вопрос: как быстро бактерии могут адаптироваться к изменениям в окружающей среде?
В лаборатории они изучали рост бактерий, сначала давая им только ограниченное количество питательных веществ, а затем давая им достаточное количество - и наоборот. Из-за процесса адаптации скорость роста бактерий после изменений замедлилась.
Когда они давали своим бактериям сначала один вид питания, а затем другие, рост временно замедлялся, хотя их всегда было достаточно. Объяснение: сначала бактериям пришлось адаптировать свою пищеварительную систему. С этой целью бактерии соответствующим образом регулируют концентрацию определенных ферментов, а синтез этих ферментов требует времени.
Стационарная модель
Физики разработали модель, чтобы лучше понять механизмы адаптации. Модель использует только качественную информацию о биохимических деталях механизма регуляции в нисходящем подходе. Он учитывает материальные потоки в ячейке и позволяет установить уравнения, представляющие материальный перенос. Глядя на материальный баланс, ученым удалось собрать различные механизмы регуляции в одно глобальное дифференциальное уравнение.
"Наша стационарная модель механизма регуляции правильно описывает временное развитие адаптации к изменяющимся питательным веществам, а также увеличение, уменьшение и изменение доступных питательных веществ, количественно и без регулируемых параметров", - говорит Ульрих Герланд, подведение итогов исследования.
«По-видимому, кинетика адаптации роста не зависит от микроскопических деталей отдельных биохимических реакций, а скорее придерживается глобальной стратегии перераспределения ресурсов для синтеза белка», - говорит Ульрих Герланд. Таким образом, можно предположить, что наша теоретическая модель может быть применима к целому ряду подобных кинетических процессов.