Un prerequisito fondamentale per la vita sulla terra è la capacità degli organismi viventi di adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali. I fisici della Technical University of Munich (TUM) e della University of California San Diego (UCSD) hanno ora stabilito che i meccanismi di regolazione utilizzati dai batteri per adattarsi ai diversi ambienti si basano su un processo di controllo globale che può essere descritto in un'unica equazione .

Condizioni ambientali come temperatura, leggero, la disponibilità di nutrienti e molti altri parametri cambiano costantemente sulla terra. Ogni organismo e anche ogni cellula ha quindi una miriade di meccanismi per adattarsi a questi cambiamenti.

Uno degli esempi più ricercati è l'Escherichia coli, un batterio che vive anche nell'intestino dell'uomo. L'apporto di nutrienti varia di ora in ora. Sopravvivere, il batterio deve avere la capacità di adattarsi alle mutevoli condizioni.

Nel 1965, Jacques Monod ha ricevuto il Premio Nobel per la sua prova che i batteri si adattano producendo diverse proteine. Per esempio, sintetizzano un enzima per scomporre il lattosio quando i nutrienti prontamente disponibili contengono questo zucchero del latte.

Però, nonostante il grande interesse e i massicci sforzi di ricerca per oltre mezzo secolo, i dettagli biochimici di questo complicato meccanismo di regolazione non sono ancora completamente spiegati e compresi.

Cinetica dell'adattamento

Le squadre di Ulrich Gerland, Il professore del dipartimento di fisica della TU Munich e il professor Terence Hwa della UCSD hanno quindi concentrato il loro lavoro sui meccanismi regolatori di base piuttosto che sui dettagli molecolari delle catene di reazione. Hanno considerato la domanda:quanto velocemente i batteri possono adattarsi ai cambiamenti nel loro ambiente?

In laboratorio, hanno studiato la crescita dei batteri dando loro prima solo una quantità limitata di nutrienti e poi fornendo loro grandi quantità e viceversa. A causa del processo di adattamento, c'è stato un ritardo nel tasso di crescita batterica in seguito ai cambiamenti.

Quando davano ai loro batteri un tipo di nutrimento prima e poi altri, la crescita ha rallentato temporaneamente, anche se c'era sempre un'ampia offerta disponibile. La spiegazione:i batteri hanno dovuto prima adattare i loro sistemi digestivi. A tal fine, i batteri modificano di conseguenza la concentrazione di alcuni enzimi e la sintesi di questi enzimi richiede tempo.

Il modello stazionario

I fisici hanno sviluppato un modello per comprendere meglio i meccanismi di adattamento. Il modello utilizza solo informazioni qualitative sui dettagli biochimici del meccanismo di regolazione in un approccio top-down. Fa il punto sui flussi di materiale nella cella e consente di stabilire equazioni che rappresentano il trasporto di materiale. Guardando il bilancio dei materiali, gli scienziati sono riusciti a riunire i vari meccanismi di regolazione in un'unica equazione differenziale globale.

"Il nostro modello di stato stazionario del meccanismo di regolazione descrive correttamente lo sviluppo temporale dell'adattamento ai cambiamenti dei nutrienti, così come aumenti, riduzioni e variazioni dei nutrienti disponibili, quantitativamente e senza parametri regolabili, "dice Ulrich Gerland, riassumendo i risultati dello studio.

"Apparentemente, la cinetica dell'adattamento alla crescita non dipende dai dettagli microscopici delle singole reazioni biochimiche, ma piuttosto aderire a una strategia globale per la ridistribuzione delle risorse per la sintesi proteica, " dice Ulrich Gerland. È quindi concepibile che il nostro modello teorico possa essere applicabile a una serie di processi cinetici simili.