Wenn Energie und Nährstoffe vorhanden sind, wird sich ein Bakterium reparieren, während es neue Bestandteile für die Schaffung eines Zwillings produziert und sich dann teilt – alles so schnell, wie die Umstände erlauben. Aber wenn die Ressourcen schrumpfen, schrumpft auch die Wachstumsrate. Die Zelle reagiert darauf, indem sie ihre schwindenden Vorräte von der Replikation auf Reparatur umstellt und die Prozesse herunterfährt, bis sie eine minimale Aufrechterhaltung fährt, um zu überleben. Unterhalb einer kritischen Grenze ist alles vorbei.
Die Erforschung des unteren Energielevels, das für Leben erforderlich ist, werde uns helfen, die ökologischen Grenzen auf anderen planetaren Körpern in unserem Sonnensystem und auf unserem eigenen Planeten zu verstehen, erklärte Chris Kempes. Kempes ist Omidyar Stipendiat am Santa Fe Institute und studiert biologische Architektur mit Schwerpunkt auf allgemeinen Skalierungsprinzipien.
Er und ein Forschungsteam untersuchten kürzlich, wie der Gesamtmetabolismus und die Aufrechterhaltung (Reparatur) die Zellwachstumsrate bestimmen. Nachfolgende Arbeiten zeigten, wie sich die Verhältnisse der Zellkomponenten – insbesondere RNA, Ribosomen, Proteine und Kopien jedes Proteintyps – mit der Zellgröße verändern.
Seine neueste Studie, an der auch Eric Libby und David Wolpert vom Santa Fe Institute mitwirkten, konzentriert sich auf die minimalen Energieanforderungen. Durch die Analyse von Aufrechterhaltungsaufwand und -prozessen sowie der Größe verschiedener Bakterienarten fanden die Forscher bestimmte Tendenzen entlang des Spektrums und eine überraschende Konstante.
Die kleinsten Spezies sind die mit der höchsten Proteindichte. Demnach verbrauchen sie die meiste Energie (manchmal fast die gesamte Energie) für die Proteinreparatur und nur einen geringen Teil für die Replikation. Wenn die Zellgröße zunimmt, sinkt der Anteil an Proteinen und die RNA-Konzentration wächst. Infolge dessen wird ein größerer Anteil des Energiebedarfs zur Aufrechterhaltung für die RNA-Reparatur verwendet. Aber bei größeren Zellen verbraucht die Replikation einen steigenden Anteil der Gesamtenergie, was letztendlich die größten Bakterien eingrenzt.
Was die Forscher überraschte, war wie „wir bei der Verschiebung einen konstanten Aufrechterhaltungsaufwand pro Einheitsvolumen fanden“, sagte Kempes. „Wir wussten, dass die gesamte Aufrechterhaltung linear ist, aber es ist verrückt, wie es all die verschiedenen Zellkomponenten schaffen, sich dazu aufzusummieren.“
Als nächsten Schritt hofft er, den Rahmen dieser Studie zum größenbasierten Aufrechterhaltungsstoffwechsel anwenden können, um Fragen bezüglich harter Randbedingungen und selektivem Druck beim Überleben von Zellen anzugehen.
Abhandlung: „Drivers of Bacterial Maintenance and Minimal Energy Requirements“ von Christopher P. Kempes et al., in Frontiers in Microbiology, 31. Januar 2017
(THK)
Antworten