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Westermayer, Sonja (2016): Single-cell time course analysis of metabolic switching in inducible gene regulatory networks. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Die Optimierung der Zuckerverwertung ist für Bakterien insbesondere unter variablen Umweltbedingungen essentieller Teil ihrer Überlebensstrategien. Bei zwei konkurrierenden und fluktuierenden Nahrungsangeboten stellt sich die Frage, ob eine homogene oder heterogene Anpassung optimal ist. Um solche Anpassungsmechanismen zu verstehen, wurde metabolisches Schaltverhalten anhand von Genexpression mit Hilfe von Reportergenen sowie zeitaufgelöster Fluoreszenz-Mikroskopie auf Einzelzellebene in Escherichia coli untersucht. Da Genexpression ein inhärent stochastischer Prozess ist, können ausgeprägte Unterschiede zwischen einzelnen Zellen auftreten. Diese Expressionsunterschiede können Teil komplexer Überlebensstrategien sein. In dieser Arbeit wird das Schaltverhalten in Antwort auf eine Nährstoffänderung in direkter bakterieller Umgebung sowie das Umschalten zwischen verschiedenen Verwertungsstrategien als Reaktion auf die Zugabe zweier unterschiedlicher Nährstoffe in verschiedenen Konzentrationen analysiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Schaltverhalten im Arabinose-Verwertungssystem untersucht. Hier wurde gezeigt, dass das Abschalten der Genexpression nach Entfernen der induzierend wirkenden Arabinose in allen Zellen innerhalb kurzer Zeit, also homogen abläuft, im Gegensatz zum heterogenen Anschalten. Da die Genexpression in induzierbaren Zuckerverwertungssystemen stark vom Wert der intrazellulären Konzentration des induzierenden Zuckers abhängt, muss zum Abschalten der Genexpression dieser Konzentrationswert unter das zur Induktion nötige Niveau sinken. Ein Absinken der internen Zuckerkonzentration kann entweder über Abbau oder Export des Zuckers geschehen. Innerhalb der hier möglichen Zeitauflösung wurde mit Hilfe einer Mutante, der das Abbauenzymgen araBAD fehlt, keine Abhängigkeit des zeitlichen Abschaltverhaltens von diesem Enzym gefunden. Zusätzlich ist das Abschalten unabhängig von der Expression eines potenziellen Exportproteins des Arabinosesystems. Daher ist möglicherweise ein bisher unbekannter nicht-kanonischer Abbau- oder Exportweg für das schnelle und homogene Abschalten der Genexpression verantwortlich. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Schaltverhalten im Phosphotransferase System, das die Aufnahme zahlreicher Zucker an die Verfügbarkeit von Phosphorgruppen innerhalb der Zelle koppelt. Erstmals wurden quantitative Messungen zum Schaltverhalten des PTS für zwei ausgewählte Zuckerverwertungssysteme, N-acetyl-glucosamine (NAG) und Sorbitol, durchgeführt. Der konkurrierende Prozess um die importlimitierende Ressource Phosphor wurde durch Messung der Genexpression der Systeme sowie durch den konzentrationsabhängigen Einfluss der Zucker auf die Wachstumsrate analysiert. Abhängig von der externen NAG Konzentration zeigten sich zwei Verhaltensweisen: Hohe NAG Konzentrationen führen zu hierarchischem Verwerten der Zucker in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, bei niedrigen Konzentrationen hingegen werden die metabolischen Gene beider Systeme simultan angeschaltet. Mit Hilfe eines mathematischen Modells, das asymmetrische Zuckerqualität sowie variable Kopplung implementiert, kann das gemessene Phasendiagramm der Genexpression reproduziert werden. Daher ist es plausibel, dass die simultane Expression der beiden Systeme unter Bedingungen eines nicht-limitierenden Phosphorflusses von einer Entkopplung der Zuckerverwertungssysteme rührt. Die Tatsache, dass die Zellen für das PTS zwei Schaltverhalten kennen, weist auf eine effiziente Regulation mittels Beschränkung des Phosphorflusses hin und könnte insbesondere bei der Anpassung der metabolischen Überlebensstrategie einer Zelle an vorherrschende Umweltbedingungen ebenso von Nutzen sein wie ein schnelles Abschalten der Genexpression nach Entfernen der externen Arabinose.