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 r.hermsen@uu.nl 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? Hoe verdeel jij je personeel over de taken? personeel Bacterien zijn ook fabriekjes... Optimale bedrijfsstrategie Verdeel je personeel zodanig dat: Iedereen door kan werken Er geen materialen ophopen Hoe verdeel jij je personeel over de taken? Bovendien: Constant monitoren en herverdelen als condities veranderen.? personeel Bacterien zijn fabriekjes... die fabriekjes maken 2. Redeneren over eiwitsectoren Hoe verdeel jij je personeel over de taken?? 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: kwaliteit van de koolhydraat Als door externe omstandigheden het en van zwaarder wordt, zul je je mankracht herverdelen: een paar monteurs gaan nu helpen bij het en 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!