Pour survivre à un approvisionnement changeant de nutriments, les bactéries ont développé des stratégies pour adapter leur métabolisme. Des physiciens de l'Université technique de Munich (TUM) et de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) ont maintenant déterminé que ces mécanismes de régulation sont basés sur un processus de contrôle global qui peut être décrit dans une seule équation. Crédit :Johannes Wiedersich / TUM
Une condition préalable fondamentale à la vie sur terre est la capacité des organismes vivants à s'adapter aux conditions environnementales changeantes. Des physiciens de l'Université technique de Munich (TUM) et de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) ont maintenant déterminé que les mécanismes de régulation utilisés par les bactéries pour s'adapter à différents environnements reposent sur un processus de contrôle global qui peut être décrit dans une seule équation. .
Les conditions environnementales comme la température, léger, la disponibilité des nutriments et de nombreux autres paramètres changent constamment sur terre. Chaque organisme et même chaque cellule dispose ainsi d'une myriade de mécanismes d'adaptation à ces changements.
L'un des exemples les mieux étudiés est Escherichia coli, une bactérie qui vit également dans les intestins des humains. L'apport de nutriments varie d'heure en heure. Survivre, la bactérie doit avoir la capacité de s'adapter aux conditions changeantes.
En 1965, Jacques Monod a reçu le prix Nobel pour sa preuve que les bactéries s'adaptent en produisant différentes protéines. Par exemple, ils synthétisent une enzyme pour décomposer le lactose lorsque les nutriments facilement disponibles contiennent ce sucre du lait.
Cependant, malgré un grand intérêt et des efforts de recherche massifs depuis plus d'un demi-siècle, les détails biochimiques de ce mécanisme de régulation compliqué ne sont toujours pas entièrement expliqués et compris.
Cinétique d'adaptation
Les équipes d'Ulrich Gerland, Le professeur au département de physique de la TU Munich et le professeur Terence Hwa à l'UCSD ont donc concentré leurs travaux sur les mécanismes de régulation de base plutôt que sur les détails moléculaires des chaînes de réaction. Ils se sont penchés sur la question :à quelle vitesse les bactéries peuvent-elles s'adapter aux changements de leur environnement ?
Les substrats S1 et S2 sont absorbés en incorporant les protéines C1 et C2. Cela génère le flux de nutrition (1). Les ribosomes synthétisent des protéines (2a) à partir de précurseurs (2a) extraits du nutriment. Chacun des cercles blancs numérotés représente un processus biochimique conduisant à l'adaptation de la cellule. Crédit :Schink et Gerland / TUM
Dans le laboratoire, ils ont étudié la croissance des bactéries en leur donnant d'abord une quantité limitée de nutriments, puis en leur fournissant des quantités suffisantes - et vice versa. En raison du processus d'adaptation, il y avait un retard dans le taux de croissance bactérienne suite aux changements.
Quand ils ont donné à leurs bactéries un type de nutriment d'abord et d'autres plus tard, la croissance a ralenti temporairement, même s'il y avait toujours un approvisionnement suffisant. L'explication :Les bactéries ont d'abord dû adapter leur système digestif. À cette fin, les bactéries modifient la concentration de certaines enzymes en conséquence et la synthèse de ces enzymes prend du temps.
Le modèle stationnaire
Les physiciens ont développé un modèle pour mieux comprendre les mécanismes d'adaptation. Le modèle utilise uniquement des informations qualitatives sur les détails biochimiques du mécanisme de régulation dans une approche descendante. Il fait le point sur les flux de matière dans la cellule et permet d'établir des équations représentant le transport de matière. En regardant le bilan matières, les scientifiques ont réussi à compiler les différents mécanismes de régulation en une seule équation différentielle globale.
"Notre modèle à l'état d'équilibre du mécanisme de régulation décrit correctement le développement temporel de l'adaptation à l'évolution des nutriments, ainsi que des augmentations, réductions et modifications des nutriments disponibles, quantitativement et sans paramètres réglables, " dit Ulrich Gerland, résumer les résultats de l'étude.
"Apparemment, la cinétique d'adaptation de la croissance ne dépend pas des détails microscopiques des réactions biochimiques individuelles, mais plutôt adhérer à une stratégie globale de redistribution des ressources pour la synthèse des protéines, " dit Ulrich Gerland. Il est donc concevable que notre modèle théorique soit applicable à un ensemble de processus cinétiques similaires.
