Mathematische Modellierung der Ribosomen-Evolution

Ribosomen sind winzige Maschinen in Zellen, die eine Schlüsselrolle im Zellwachstum spielen. Bevor sich Zellen teilen, müssen sie alle ihre Komponenten duplizieren. Dafür benötigen sie die Ribosomen, welche Proteine herstellen, die die Hauptbausteine der Zellen bilden. Je effizienter die Ribosomen sind, desto schneller können Zellen wachsen, was sie erfolgreicher als ihre Konkurrenten macht. In diesem Projekt werden wir untersuchen, ob die Ribosomen von Mikroorganismen so effizient wie möglich evolviert sind. Wir werden ein einfaches Computermodell einer mikrobiellen Zelle erstellen und ihr Wachstum in verschiedenen Umgebungen simulieren. Durch die Erstellung mehrerer Versionen dieser Zelle mit unterschiedlichen Ribosomenzusammensetzungen werden wir feststellen, welche Zellen am schnellsten wachsen. Dies kann zeigen, welche Ribosomenversion in der Evolution am erfolgreichsten wäre. Wir werden dann die Ergebnisse mit den tatsächlichen Ribosomenzusammensetzungen verschiedener Mikroben vergleichen. Anfänglich stimmen unsere Ergebnisse möglicherweise nicht mit den realen Daten überein, aber dies kann dennoch wertvolle Einblicke bieten. Es könnte darauf hindeuten, dass unsere virtuelle Zelle zu einfach ist oder dass einige Prozesse nicht genau dargestellt werden. Wir werden dann das Modell verfeinern, indem wir mehr Details hinzufügen oder die Parameter anpassen. Dieser wiederholte Prozess wird helfen, die wichtigsten Faktoren und Prozesse zu identifizieren, die die Ribosomenzusammensetzung durch die Evolution geformt haben. Schließlich werden wir das verfeinerte Modell mit anderen Arten von Mikroorganismen und Umweltbedingungen testen, um zu sehen, ob unsere Schlussfolgerungen Bestand haben. Letztendlich wird dieses Modell unser Verständnis des Zellwachstums verbessern und Einblicke in die Evolution der Zellen bieten.

Wie Zellen wachsen - und warum das wichtig ist? In diesem Projekt wollten wir besser verstehen, wie Zellen wachsen. Dafür haben wir die noch recht neue Rechenmethode Growth Balance Analysis (GBA) angepasst und eingesetzt. Damit können wir ein vereinfachtes Computermodell einer Zelle bauen und überprüfen, ob unser Verständnis vom Zellwachstum mit dem Verhalten echter Zellen übereinstimmt. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Ribosom, der "Proteinfabrik" der Zelle. Ribosomen stellen alle Eiweiße her, die eine Zelle zum Leben und Wachsen braucht. Für die Zelle stellt sich die Frage: Wie soll meine Proteinfabrik aussehen? Soll sie aus langlebigem Eiweiß bestehen oder aus kurzlebiger RNA - oder aus einer Mischung von beidem? Unser Modell zeigt, dass ein Kompromiss am besten ist. Zellen nutzen ihre Ressourcen sehr geschickt und passen ihre Zusammensetzung so an, dass sie unter verschiedenen Bedingungen möglichst schnell wachsen können. Auch die Bauweise der Ribosomen folgt diesem Prinzip: Eine Mischung aus etwa einem Drittel Eiweiß und zwei Dritteln RNA ist optimal. GBA macht die "Kosten" zellulärer Entscheidungen sichtbar. Man kann sich das wie ein Haushaltsbuch vorstellen: Jede Investition - zum Beispiel in ein bestimmtes Eiweiß - hat ihren Preis und bringt einen bestimmten Nutzen für das Wachstum. So hilft GBA zu verstehen, wie die Zelle möglichst wirtschaftlich vorgeht. Solche Erkenntnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung spannend. In der Biotechnologie werden Mikroben eingesetzt, um Medikamente, Treibstoffe oder andere Stoffe herzustellen. Dabei entstehen für die Zellen erhebliche Belastungen. Mit Methoden wie GBA können wir vorhersagen, wie diese Belastungen reduziert werden können, sodass die Mikroben effizienter arbeiten - und die Produktion wertvoller Stoffe nachhaltiger und produktiver wird.