Zellwachstum

Zellwachstum reguliert genetische Schaltkreise

08.02.2010 | Redakteur:

Genetischer Schaltkreis mit positiver Kontrolle in einer bakteriellen Zelle: Das erzeugte Protein eines unregulierten Gens (grün) stimuliert die Produktion des blauen Proteins. Links: Wenn Nährstoffmangel herrscht, ist die Zelle klein und produziert hohe Konzentrationen beider Proteine. Rechts: Bei reichlich vorhanden Nährstoffen wird die Zelle größer, folglich sinkt die Konzentration des Regulators (grün). Er kann deshalb die Produktion des blauen Proteins nicht mehr so stark stimulieren. Dadurch sinkt die Konzentration des blauen Proteins noch deutlicher.

Max-Planck-Forscher finden gemeinsam mit amerikanischen Kollegen eine Erklärung dafür, warum genetisch identische Zellen unterschiedlich schnell wachsen können. Mit theoretischen Berechnungen konnten sie so das Wachstum von Bakterien vorhersagen.

Potsdam – Genetische Schaltkreise kontrollieren die Aktivität von Genen und damit die Funktion von Zellen und Organismen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der University of California in San Diego zeigen, wie Wachstumseffekte die genetischen Schaltkreise in einer Bakterienzelle beeinflussen. Demnach können Gene auch ohne Regulierung unterschiedlich aktiv sein - je nachdem, ob sie in schnell oder langsam wachsenden Zellen in Proteine übersetzt werden. Mit diesen Ergebnissen können die Forscher besser verstehen, wie Zellen ihre Gene regulieren, und so künftig künstliche genetische Schaltkreise entwickeln.

Genetische Schaltkreise hängen jedoch auch von der Zelle als Ganzes ab, die ausreichend Ressourcen für die Bildung von Proteinen zur Verfügung stellen muss. So kann das Standard-Laborbakterium Escherichia coli seine optimale Generationszeit von 20 Minuten auf bis zu einige Stunden ausdehnen, wenn die Nahrung knapp ist. Dies verändert nahezu alle Eigenschaften der Bakterienzellen, wie Größe oder chemische Zusammensetzung.

Proteinkonzentration unregulierter Gene sinkt bei schnellerem Wachstum

Die Wissenschaftler demonstrieren mit einem Theoriemodell sowie einfachen synthetischen genetischen Schaltkreisen in Bakterien, dass die Wachstumsgeschwindigkeit die Aktivität von Genen und damit die genetischen Schaltkreise entscheidend beeinflusst. „Wir haben uns gefragt, wie die Aktivität eines hypothetischen Gens, das überhaupt nicht reguliert wird, vom Wachstum eines Bakteriums abhängt. Dieser Zusammenhang muss nämlich berücksichtigt werden, wenn man in Experimenten eine Änderung der Genexpression feststellt“, sagt Stefan Klumpp, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung.

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