The Evolutive Adaptation of the Transcriptional Information Transmission in Escherichia coli

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny; Professor Dr. Georg Sprenger
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 150284845

Evolution ist der Prozess der Anpassung von Organismen an ihre jeweilige Umwelt durch dauerhafte Änderungen ihrer genetischen Ausstattung. Evolutive Anpassung beruht auf stochastischen Mutationen und der Selektion der bestangepassten Individuen.Ein grundlegendes Problem ist, zu verstehen, wie eine Population von Organismen sich an ihre Umgebung adaptiert. Mutationen sind stochastische Ereignisse auf molekularer Ebene, welche die intrazellulären Informationskanäle von Transkriptionsfaktoren zu Genen und metabolischen Flüssen verändern. Aus diesem Grund ist eine kommunikationstheoretische Herangehensweise vielversprechend. Das Hauptziel des Projekts ist die informationstheoretische Beschreibung und Analyse des intrazellulären Informationsaustausches während der adaptiven Evolution am Beispiel von Escherichia coli-Populationen. Ein informationstheoretisches Modell einer Zellpopulation ist ein komplexes Kommunikationssystem, dessen Ein- und Ausgänge stochastische Variablen sind, welche Transkriptionsfaktoraktivitäten, Genexpression und metabolische Flüsse beschreiben. Während in der ersten Antragsphase die Anpassungsfähigkeit des metabolischen Netzwerkes und in der zweiten Phase die Anpassungsfähigkeit des transkriptionellen Netzwerkes unter konstanten Umweltbedingungen untersucht wurden, soll nun die Anpassungsfähigkeit unter wechselnden Umweltbedingungen analysiert werden. Populationen können auf verschiedene Weise (transkriptionelle Regulation oder Zerfall in Subpopulationen) auf wechselnde Umweltbedingungen reagieren. Mit einem informationstheoretischen Modell der intrazellulären Informationsübertragung sollen optimale Verhaltensweisen unter langanhaltenden wechselnden Umweltbedingungen abgeschätzt werden. Diese Vorhersagen können im Experiment mit E. coli auf der Versuchsplattform für adaptive Evolution, die vom ISYS und IMB aufgebaut wurde, verifiziert werden. Dazu wird ein Experiment zur adaptiven Evolution unter wechselnder Sauerstoffversorgung mit Reporterprotein-markierten E. coli-Stämmen vorgestellt. In einem weiteren Experiment wird eine wechselseitige Abhängigkeit zwischen zwei E. coli Stämmen konstruiert, die auf einer synthetischen Informationskaskade basiert. Während der adaptiven Evolution kann so die Optimierung dieses artifiziellen Sensorsystems untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1395: Informations- und Kommunikationstheorie in der Molekularbiologie (InKoMBio)
• Beteiligte Personen: Professorin Dr. Susann Müller; Professor Dr.-Ing. Steffen Schober