Charakterisierung und Analyse von bakteriellen Zuckerverwertungsstrategien mit regulierter phänotypischer Heterogenität

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Gerland
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218275476

Es werden Regulationstrategien der Zuckeraufnahmesysteme von Bakterien untersucht. Phänotypische Heterogenität ist hier nicht nur mit einer statistischen Verteilung der momentanen Phänotypen verbunden, sondern auch mit einer zeitlichen Variabilität von verschiedenen Zellen beim Phänotyp-Wechsel. Unsere Ziele sind (i) das heterogene Timing als dynamische Genregulationstrategie zu charakterisieren und (ii) phänotypische Heterogenität in konkurrierenden Zuckerabbausystemen zu analysieren. In der ersten Phase des SPP1617 haben wir eine detaillierte experimentelle und theoretische Analyse des Phänomens des heterogenen Timings in der Einzelzell-Genexpression des Arabinose Systems von E.coli durchgeführt. Wir fanden, dass das physiologische Schaltverhalten dieses Systems asymmetrisch ist. Das AUS-schalten ist immer schnell und homogen, während das AN-schalten langsam und zeitlich heterogen ist bei nicht-saturierenden Konzentrationen des Substrats. Wir haben dieses Verhalten und das von Mutanten in einem quantitativen Modell vereinigt. Bezüglich (ii) haben wir das Einzelzellwachstum auf zwei konkurrierenden PTS Substraten, Sorbitol und N-Acetylglucosamin (Nag) über einen großen Konzentrationsbereich untersucht und gleichzeitig die Expression der Abbausysteme von Nag und Sorbitol auf Einzelzellebene quantifiziert. Unsere Daten unterstützen ein Model der hierarchischen Wechselwirkung, die bei niedrigen Konzentrationen des dominanten Zuckers zusammenbricht, um stochastischen, gemischten Abbau zu erlauben.  In der zweiten Phase möchten wir die möglichen Vorteile der beobachteten phänotypischen Heterogenität von Zuckerabbausystemen untersuchen. Unsere Analyse sagt voraus, dass heterogenes Timing eine nützliche bet-hedging Strategie während der stationären Phase ist. Heterogenes Timing kann das Risiko kostspieliger Genexpression minimieren, verursacht durch die Reaktion auf transiente Nährstoffquellen die verschwinden bevor die Zelle von dem Investment ihrer Expression profitiert. Um die Kosten der Genexpression in der stationären Phase zu quantifizieren, werden wir die Effekte von überflüssiger Genexpression durch induzierbare Promotoren auf Fitnessindikatoren wie Überlebensfähigkeit, metabolische Aktivität, Membranpotential und Membranintegrität messen. Wir werden ausserdem untersuchen welche Reserven/Ressourcen die Genexpressionskapazität von Zellen in der stationäre Phase limitieren. Diese Daten werden in eine quantitative Kosten-Nutzen-Analyse von Genexpression in der stationäre Phase integriert, welche dann die Basis für eine experimentell wohl fundierte theoretische Analyse von nützlichen Regulationsstrategien sein wird. Die zweite Aufgabe der Modellierungskomponente dieses Antrags wird die Analyse eines Signalnetzwerkes eines Nährstoffsensors in E.coli sein, das beim Übergang in die stationäre Phase aktiviert wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1617: Phänotypische Heterogenität und Soziobiologie bakterieller Populationen