“The dream of every cell is to become two cells” (Francois Jacob, 1971)
De logica van bacteriele groei
Bij ideale condities: dubbeling binnen 20 min
een top-downbenadering
Na 24 uur: 1021 cellen • •
Hoe krijgt de cel dit voor elkaar??
Rutger Hermsen
[email protected] Utrecht University, Department of Biology, Theoretical Biology Group
Gebruikelijke benadering: bottom-up
Uitermate efficiënt Bij enorm uiteenlopende condities
Filmpje: J. B. Deris et al, Science (2013)
Complicaties bij de bottom-upbenadering Praktische complicaties • • •
Lang niet alle moleculaire interacties zijn bekend Duizenden parameters – vaak onbekend Model wordt gigantisch complex; moeilijk te analyseren
Fundamentele complicaties: Wat is ervoor nodig om een fenomeen daadwerkelijk te begrijpen? Stel dat je een model hebt gebouwd waarin alle details van de cel zijn verwerkt. En inderdaad, een computersimulatie van het model laat prachtig een groeiende cel zien. Hebben we dan echt begrepen hoe de cel werkt?
Alternatief: top-down
Opbouw van dit college
We vragen ons af: • Wat is de globale organisatie van de cel? • Tegen welke beperkingen loopt de cel op? • Als de cel verstandig met die beperkingen omgaat – wat zou hij dan doen?
0. 1. 2. 3.
Recente vooruitgang op dit gebied: • • •
Scott et al, Science (2010) You et al, Nature (2013) Hermsen et al, Molecular Systems Biology (verschijnt in 2015)
4.
Voorwoord Introductie: optimale werkverdeling Redeneren over eiwitsectoren Een concrete toepassing: Groei in aanwezigheid van twee koolhydraten Conclusies en samenvatting
Stel je voor: jij bent de manager van een fabriek
1. Introductie: optimale werkverdeling aanleveren ruwe materialen
demonteren
monteren
?
Hoe verdeel jij je personeel over de taken?
personeel
Bacterien zijn ook fabriekjes...
Optimale bedrijfsstrategie
aanleveren ruwe materialen
demonteren
monteren aanleveren ruwe materialen
Verdeel je personeel zodanig dat: • Iedereen door kan werken • Er geen materialen ophopen
demonteren
Hoe verdeel jij je personeel over de taken?
Bovendien: Constant monitoren en herverdelen als condities veranderen.
monteren
? personeel
Bacterien zijn fabriekjes... die fabriekjes maken
2. Redeneren over eiwitsectoren aanleveren ruwe materialen
demonteren
Hoe verdeel jij je personeel over de taken?
monteren
? personeel
Scott et al, Science (2010); You et al, Nature (2013)
… inclusief personeel.
Organisatie van koolstofmetabolisme: de “vlinderdas”
Investeren in verschillende eiwit-“sectoren” “overhead”
nucleotiden aminozuren
glucose lactose glycerol … koolhydraten
… catabolisme
anabolisme, eiwitsynthese
12 precursors
Hoeveel investeren in ribosomale eiwitten? •
•
•
ribosomen
catabolisme anabolisme
De cel moet kiezen: Meer investeren in, zeg, catabolisme, betekent minder in iets anders. Wat is de optimale strategie? Hoe hangt dit af van omstandigheden?
Experimenten bevestigen dit precies
Eiwitten kunnen alleen door ribosomen worden gemaakt. Ieder ribosoom produceert eiwitten met ongeveer 40 aminozuren per seconde.
•
Weinig ribosomen => kleine eiwitproductie => langzame groei.
•
•
• •
Groei E. coli in verschillende media Meet groeisnelheid Meet massa ribosomale eiwitten Meet totale eiwitmassa Bereken fractie
Om precies te zijn:
Hoe sneller de cel groeit, hoe meer hij moet investeren in ribosomen.
Investering neemt lineair toe met groeisnelheid!
Scott et al, Science (2010)
Balanceer investering in catabole enzymen en ribosomen Veel catabolisme, weinig ribosomen • grote influx en afbraak van nutrienten • maar: te weinig ribosomen om daar iets mee te doen • niet optimaal Veel ribosomen, weinig catabolisme • veel ribosomen om eiwitten te maken • maar: te weinig influx van nutrienten om die ribosomen aan het werk te houden • ook niet optimaal
Optimale balans hangt af van nutrienten in het medium Efficiënte koolhydraat: • snelle groei mogelijk • grote investering in ribosomen noodzakelijk • grote investering in anabole enzymen noodzakelijk Gevolg: relatief kleine investering in koolstof-catabolisme Minder efficiënte koolhydraat: • langzamere groei • minder ribosomen en anabole enzymen nodig • investeer dus meer in catabole enzymen
Analogie met de fabriek
Eenvoudige wiskundige uitwerking ●
Hogere groeisnelheid vereist grotere investering in catabolisme:
aanleveren ruwe materialen
demonteren
kwaliteit van de koolhydraat
monteren
Als door externe omstandigheden het aanleveren en demonteren van ruwe materialen zwaarder wordt, zul je je mankracht herverdelen: • een paar monteurs gaan nu helpen bij het aanleveren en demonteren • zodat de overgebleven monteurs continu aan het werk kunnen blijven.
Dus: we verwachten een lineaire relatie
●
Hogere groeisnelheid vereist ook grotere investering in ribosomen:
●
Idem voor anabolisme:
●
Maar er is een beperking:
●
Hoe verandert
onder variatie van ?
Experimentele verificatie
Expression of LacZ
Voorspelling:
You et al, Nature (2013)
Hoe werkt dit moleculair?
Moleculair mechanisme: feedback door CRP-cAMP
Inderdaad: monitoren en aanpassen
Groei in aanwezigheid van twee koolhydraten Model met drie aannames:
1.
Opname van koolstof is proportioneel met de enzymconcentration:
3. Een concrete toepassing: Groei in aanwezigheid van twee koolhydraten
2.
Groeisnelheid proportioneel met de koolstofopname:
R. Hermsen, H. Okano, C. You, N. Werner, and T. Hwa Molecular Systems Biology (verschijnt in 2015)
3.
Hieruit volgt: optel-formule voor groeisnelheden
C-lijn:
De formule werkt uitstekend Gekleurde symbolen: formule zou moeten werken Open symbolen: extra interacties bekend; afwijkingen verwacht
Deze formule voorspelt hoe snel de cel zou moeten groeien in aanwezigheid van twee koolhydraten ( ), als je al weet hoe snel hij groeit op ieder van de koolhydraten afzonderlijk ( en ). Let op: Deze formule zou alleen moeten werken alleen als de cel geen extra regulatie heeft geïmplementeerd naast het effect van CRP-cAMP.
Conclusies 1. Bacterien zijn als fabriek-fabriekjes. 2. Optimaal groeien vereist het aanpassen ze investeringstactiek aan omstandigheden.
3. Conclusies
3. Optimale oplossing: lineaire relaties tussen groeisnelheid en expressie van catabole enzymen, anabole enzymen, en ribosomale eiwitten.
4. Moleculaire mechanisme: feedback door CRP-cAMP. 5. Gevolg: interactie tussen de opnames van verschillende koolhydraten.
6. Toepassing: Optelformule voor groeisnelheden:
Dank voor je aandacht!
