Условия окружающей среды, такие как температура, свет, наличие 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 кишечная палочка, бактерия, которая также обитает в кишечнике человека.
Запасы питательных веществ варьируются от часа к часу. Чтобы выжить, бактерия должна иметь способность адаптироваться к меняющимся условиям.
В 1965 году Жак Моно получил Нобелевскую премию за доказательство того, что бактерии адаптируются, производя различные белки. Например, они синтезируют фермент для расщепления лактозы, когда легкодоступные питательные вещества содержат этот молочный сахар.
Однако, несмотря на большой интерес и масштабные исследования, проводившиеся более полувека, биохимические детали этого сложного регуляторного механизма до сих пор полностью не объяснены и не поняты.Кинетика адаптацииКоманды Ульриха Герланда, профессора физического факультета Мюнхенского технического университета и профессора Теренса Хва из UCSD, сосредоточили свою работу на основных регуляторных механизмах, а не на молекулярных деталях реакционных цепочек. Они рассмотрели вопрос: как быстро бактерии могут адаптироваться к изменениям в окружающей среде?
В лаборатории они изучали рост бактерий, сначала давая им лишь ограниченный запас питательных веществ, а затем давая им достаточное количество — и наоборот. Из-за процесса адаптации после изменений скорость роста бактерий замедлялась.Когда они давали своим бактериям сначала одни виды питательных веществ, а потом другие, рост временно замедлялся, хотя их всегда было достаточно.
Объяснение: бактерии сначала должны были адаптировать свою пищеварительную систему. С этой целью бактерии соответственно изменяют 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 перенос материала.
Изучив материальный баланс, ученым удалось собрать различные механизмы регулирования в одно глобальное дифференциальное уравнение.«Наша стационарная модель механизма регулирования правильно описывает временное развитие адаптации к изменяющимся питательным веществам, а также увеличение, уменьшение и изменения доступных питательных веществ, количественно и без регулируемых параметров», — говорит Ульрих Герланд, обобщая результаты исследования. учиться.
«По-видимому, кинетика адаптации роста не зависит от микроскопических деталей индивидуальных биохимических реакций, а скорее соответствует глобальной стратегии перераспределения ресурсов для синтеза белка», — говорит Ульрих Герланд. Таким образом, можно предположить, что наша теоретическая модель может быть применима к множеству подобных кинетических процессов.