Un requisito previo fundamental para la vida en la tierra es la capacidad de los organismos vivos para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. Físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y la Universidad de California San Diego (UCSD) han determinado ahora que los mecanismos de regulación utilizados por las bacterias para adaptarse a diferentes entornos se basan en un proceso de control global que se puede describir en una sola ecuación. .

Condiciones ambientales como temperatura, luz, la disponibilidad de nutrientes y muchos otros parámetros cambian constantemente en la tierra. Cada organismo e incluso cada célula tiene, por tanto, una miríada de mecanismos para adaptarse a estos cambios.

Uno de los ejemplos mejor investigados es Escherichia coli, una bacteria que también vive en los intestinos de los humanos. El suministro de nutrientes varía de una hora a otra. Para sobrevivir, la bacteria debe tener la capacidad de adaptarse a las condiciones cambiantes.

En 1965, Jacques Monod recibió el Premio Nobel por su prueba de que las bacterias se adaptan produciendo diferentes proteínas. Por ejemplo, sintetizan una enzima para descomponer la lactosa cuando los nutrientes fácilmente disponibles contienen este azúcar de la leche.

Sin embargo, a pesar del gran interés y los esfuerzos de investigación masivos durante más de medio siglo, los detalles bioquímicos de este complicado mecanismo regulador aún no se explican ni se comprenden por completo.

Cinética de adaptación

Los equipos de Ulrich Gerland, El profesor del Departamento de Física de la TU de Múnich y el profesor Terence Hwa de la UCSD concentraron su trabajo en los mecanismos reguladores básicos más que en los detalles moleculares de las cadenas de reacción. Consideraron la pregunta:¿Qué tan rápido pueden adaptarse las bacterias a los cambios en su entorno?

En el laboratorio, estudiaron el crecimiento de bacterias dándoles primero sólo un suministro limitado de nutrientes y luego proporcionándoles grandes cantidades, y viceversa. Debido al proceso de adaptación, hubo un retraso en la tasa de crecimiento bacteriano después de los cambios.

Cuando le dieron a sus bacterias un tipo de nutriente primero y otros más tarde, el crecimiento se ralentizó temporalmente, a pesar de que siempre hubo una amplia oferta disponible. La explicación:las bacterias primero tuvieron que adaptar sus sistemas digestivos. Para tal fin, las bacterias modifican la concentración de ciertas enzimas en consecuencia, y sintetizar estas enzimas lleva tiempo.

El modelo de estado estacionario

Los físicos desarrollaron un modelo para comprender mejor los mecanismos de adaptación. El modelo utiliza solo información cualitativa sobre los detalles bioquímicos del mecanismo de regulación en un enfoque de arriba hacia abajo. Hace un balance de los flujos de material en la celda y permite establecer ecuaciones que representan el transporte de material. Mirando el balance de materiales, los científicos lograron compilar los diversos mecanismos de regulación en una ecuación diferencial global.

"Nuestro modelo de estado estable del mecanismo de regulación describe correctamente el desarrollo temporal de la adaptación a los nutrientes cambiantes, así como aumenta, reducciones y cambios en los nutrientes disponibles, cuantitativamente y sin parámetros ajustables, "dice Ulrich Gerland, resumiendo los resultados del estudio.

"Aparentemente, la cinética de la adaptación al crecimiento no depende de los detalles microscópicos de las reacciones bioquímicas individuales, sino adherirse a una estrategia global para la redistribución de recursos para la síntesis de proteínas, ", dice Ulrich Gerland. Por tanto, es concebible que nuestro modelo teórico pueda ser aplicable a una serie de procesos cinéticos similares.