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Freitag, 22.09.2017
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Überlebenstricks von Bodenmikroben enthüllt

Forscher decken Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen auf molekularer Ebene auf

Ein internationales Forscherteam hat aufgedeckt, wie sich einfach strukturierte Mikroben auf molekularer Ebene an wechselnde Umweltbedingungen anpassen und damit ihr Überleben sichern. Die Wissenschaftler stellen die Ergebnisse ihrer neuen Studien jetzt in gleich zwei Artikeln der Fachzeitschrift „Science“ vor.
Bacillus subtilis

Bacillus subtilis

Als Modellorganismus für die Untersuchungen wählten die Forscher um Ulrike Mäder und Jan Muntel von der Universität Greifswald das Bodenbakterium Bacillus subtilis. Es verursacht selbst keine Krankheiten, gilt aber als Modellorganismus für Krankheitserreger und wird in der Industrie vielfältig für die Produktion von Enzymen und Vitaminen eingesetzt.

Erbgut umfasst 4.200 Gene


Im Rahmen der Studien kombinierten die Wissenschaftler Methoden der experimentellen Biologie und der Bioinformatik mit mathematischen Modellierungsansätzen. Dazu wurden zunächst äußerst umfangreiche Datensätze zur Charakterisierung der Komponenten in den Zellen - Transkripte, Proteine und Metabolite - unter unterschiedlichen Wachstumsbedingungen aufgenommen.

Diese experimentellen Daten analysierten die Forscher anschließend bioinformatisch und integrierten sie in mathematische Modelle. Sogar bei einem relativ einfachen Organismus wie Bacillus subtilis, dessen Genom lediglich 4.200 Gene umfasst, sind solche Modelle absolut unentbehrlich, um die komplexen molekularen Anpassungsvorgänge zu erfassen.


Transkriptom analysiert


Mäder hat zusammen mit Kollegen in ihrer Studie das Transkriptom von Bacillus subtilis, also die Gesamtheit aller Gen-Transkripte (mRNAs) des Bakteriums, analysiert - unter einer Vielzahl verschiedener Wachstumsbedingungen, wie unterschiedliche Nährstoffangebote oder hohe und niedrige Umgebungstemperaturen. In ihrer Gesamtheit spiegeln diese experimentell erzeugten Umweltbedingungen die Herausforderungen wieder, die dieses Bakterium in seinem natürlichen Lebensraum bewältigen muss.

Neben der bisher wahrscheinlich umfassendsten Beschreibung der Dynamik sämtlicher Transkriptionseinheiten eines Bakterium einschließlich vieler potenzieller neuer Gene und sogenannter Antisense-RNAs trug dieser Ansatz entscheidend dazu bei, zu klären, wie sich die Zellen an veränderte Umweltbedingungen durch das Zusammenspiel verschiedener Gene anpassen. Der bedeutendste Aspekt dieser Studie ist die genomweite Beschreibung der Funktion genetischer Schalter mit Hilfe eines neuen statistischen Verfahrens.

Teamwork von Netzwerken


Die Forscher um Buescher beschreiben dagegen am Beispiel der Nutzung von zwei Kohlenstoffquellen eine umfassende Analyse der dynamischen Anpassung des bakteriellen Metabolismus an sich verändernde Nährstoffbedingungen. Um sich mit wechselnden Umweltbedingungen zu arrangieren, müssen verschiedene Netzwerke in Bacillus subtilis zusammenwirken, so die Forscher. Sie hatten es sich daher zum Ziel gesetzt, durch eine kombinierte statistische und modellbasierte Analyse von Datensätzen alle Ebenen der Regulation zu erfassen.

Letztlich konnten die Wissenschaftler zeigen, dass das Bodenbakterium bei der Umstellung seines Metabolismus auf die Nutzung von zwei verschiedenen Kohlenstoffquellen - Glukose bzw. Malat - ganz unterschiedliche Strategien einsetzt. Die neuen Ergebnisse legen den Forschern zufolge nahe, dass evolutionäre Zwänge auch die Realisierung sehr komplexer Regulationsprogramme begünstigen können. (Science, 2012; www.sciencemag.org/content/335/6072/1099.full.html, www.sciencemag.org/content/335/6072/1103.full.html)
(Universität Greifswald, 07.03.2012 - DLO)
 
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