Катаболитная репрессия: простая математика проливает новый свет на давно изучаемый биологический процесс
Новое исследование, опубликованное в Nature, показало, что классический биологический процесс катаболитной репрессии у бактерий контролируется не только наличием глюкозы, как считалось десятилетиями, но и доступностью других ключевых питательных веществ, таких как азот и сера.
Ключевое открытие:
- Процесс работает, сравнивая скорость поступления углерода (например, глюкозы) с поступлением других незаменимых элементов, а не просто реагируя на уровень глюкозы.
- Это можно сравнить со сбалансированной диетой: чтобы снизить потребление сахара бактериями, эффективнее ограничить не сахар, а азот. Это подавляет "аппетит" клетки к сахару.
Методология:
Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего и их международные коллеги применили подход количественной биологии. Они измеряли уровни цАМФ (циклического аденозинмонофосфата) и ферментов, расщепляющих сахар, у E. coli при разном ограничении питательных веществ (углерод, азот, сера) и сопоставляли данные с темпами роста.
Результаты:
- Уровни ферментов выстроились в чёткие пересекающиеся прямые линии в зависимости от скорости роста.
- Ферменты увеличивались при дефиците углерода и уменьшались при дефиците азота или серы, следуя простым математическим закономерностям.
- Это показало, что процесс служит не для предпочтения глюкозы другим сахарам, а для точной координации усвоения углерода с усвоением других элементов.
Значение:
- Пересмотр классической модели: Процесс, описанный в учебниках, оказался сложнее и имеет иную физиологическую цель.
- Сила количественного подхода: Простые математические закономерности (линейные уравнения) и физиологический контекст позволили выявить новую функцию известных молекулярных компонентов.
- Практический потенциал: Понимание этой регуляции может помочь в метаболической инженерии для повышения выхода целевых продуктов (инсулин, этанол) и в будущем, возможно, в разработке стратегий борьбы с ожирением или раком, которые связаны с дисбалансом питательных веществ.
Историческая параллель:
Исследователи обнаружили, что нобелевский лауреат Жак Моно в своей статье 1976 года уже сомневался в стандартной модели и отмечал важность влияния азота, но эта работа была забыта.