Pflanzen Führen Molekularmathematik Durch

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Die Abteilung Arithmetik steuert den Energieverbrauch der Pflanzen bei Nacht.

Als ob die Herstellung von Lebensmitteln aus Licht nicht beeindruckend genug wäre, könnte es an der Zeit sein, das botanische Repertoire um eine weitere fortgeschrittene Fähigkeit zu erweitern: die Fähigkeit, - zumindest auf molekularer Ebene - eine arithmetische Unterteilung durchzuführen.

Computergenerierte Modelle, die in der Zeitschrift eLife veröffentlicht wurden, veranschaulichen, wie Pflanzen mithilfe der Molekularmathematik die Geschwindigkeit regulieren können, mit der sie Stärkereserven verschlingen, um die ganze Nacht über Energie zu liefern, wenn Energie von der Sonne nicht auf der Speisekarte steht. Wenn ja, sagen die Autoren, wäre dies das erste Beispiel für eine arithmetische Unterteilung in der Biologie.

Aber es ist vielleicht nicht das einzige: Viele Tiere fasten - zum Beispiel während des Winterschlafes oder der Migration - und müssen die internen Energiespeicher sorgfältig rationieren, um zu überleben. Das Verständnis, wie arithmetische Teilung auf molekularer Ebene auftreten kann, könnte auch für das junge Gebiet der synthetischen Biologie nützlich sein, in dem Gentechniker nach standardisierten Methoden suchen, um an molekularen Pfaden zu basteln, um neue biologische Geräte zu entwickeln.

„Dies ist ein neuer Rahmen für das Verständnis der Steuerung von Stoffwechselprozessen“, sagt Rodrigo Gutiérrez, Biologe für Pflanzensysteme an der Päpstlichen Katholischen Universität von Chile in Santiago, der nicht an der Arbeit beteiligt war. "Ich kann sofort daran denken, es auf andere Probleme anzuwenden."

Teilen und überleben

Pflanzen machen die Stärkereserven, die sie tagsüber produzieren, fast genau bis zum Morgengrauen. Forscher dachten einmal, dass Pflanzen Stärke während der Nacht mit einer festen Geschwindigkeit abbauen. Dann stellten sie jedoch fest, dass das winzige Unkraut Arabidopsis thaliana, eine für Laborarbeiten bevorzugte Pflanze, diese Rate im laufenden Betrieb neu berechnen kann, wenn es einer ungewöhnlich frühen oder späten Nacht ausgesetzt wird.

Für Alison Smith und Martin Howard vom John Innes Centre in Norwich, Großbritannien, und ihre Kollegen deutete dies darauf hin, dass eine komplexere molekulare Berechnung am Werk war. Das Team vermutete die Existenz von zwei Molekülen: eines, S, das der Pflanze sagt, wie viel Stärke noch vorhanden ist, und eines, T, das sie über die verbleibende Zeit bis zum Morgengrauen informiert.

Die Forscher erstellten mathematische Modelle, um zu zeigen, dass die Wechselwirkungen solcher Moleküle im Prinzip tatsächlich die Geschwindigkeit des Stärkeabbaus beeinflussen können, so dass eine kontinuierliche Berechnung der Division der Menge der verbleibenden Stärke durch die Zeit bis zum Morgengrauen widergespiegelt wird.

Zum Beispiel sagten die Modelle voraus, dass Pflanzen die Rate des Stärkeabbaus anpassen würden, wenn die Nacht durch eine Lichtperiode unterbrochen würde. Während dieser Lichtperiode konnten die Pflanzen wieder Stärke produzieren. Wenn die Lichter wieder ausgehen, sollte sich die Rate des Stärkeabbaus an diesen Anstieg der gelagerten Stärke anpassen, sagten die Modelle voraus - ein Ergebnis, das die Forscher in Arabidopsis-Pflanzen bestätigten.

Das Team durchsuchte dann die Literatur nach Arabidopsis-Mutanten mit bekannten Behinderungen in verschiedenen Schritten entlang des Stärkeabbaupfades. Diese zeigten, dass die Modelle mit dem Verhalten dieser Mutanten kompatibel waren, was dazu führte, dass am Ende der Nacht eine höhere Stärkemenge als üblich zurückblieb.

Einfache Prinzipien

Um Proteine zu finden, die möglicherweise direkt mit ihrem hypothetischen S / T-Rechensystem interagieren, haben die Forscher diese Mutanten auch einer unerwartet frühen Nacht ausgesetzt - eine Situation, die normalerweise dazu führen würde, dass Pflanzen den Stärkeabbau verlangsamen. Sie fanden eine Mutante, die die Geschwindigkeit, mit der sie als Reaktion auf diese Situation Stärke verbrauchte, nicht verändern konnte. Dies deutet darauf hin, dass das mutierte Gen, PWD genannt, diese Reaktion normalerweise reguliert und möglicherweise eine wichtige Rolle bei den molekularen Berechnungen der Pflanze spielt.

Gutiérrez sagt, dass das Konzept der biologischen arithmetischen Teilung ein einfaches Modellierungsprinzip darstellt, das neue Sichtweisen auf den Stoffwechsel anregen kann, obwohl er noch nicht davon überzeugt ist, dass Pflanzen die Teilung auf die vom Modell vorgeschlagene Weise ausführen. "Ob die Anlage das wirklich tut, weiß ich nicht genau", sagt er. "Aber es ist ein faszinierender Ansatz."

Die Reihe von Reaktionen, die solchen Prozessen zugrunde liegen, sind nicht so ungewöhnlich, bemerkt Howard, und man könnte sich leicht andere Szenarien vorstellen, in denen chemische Reaktionen Zellen dabei helfen, einfachere Berechnungen durchzuführen, wie Addition, Subtraktion oder Multiplikation. Der konzeptionelle Sprung, diese Reaktionen als arithmetische Funktionen zu betrachten, war jedoch ein wichtiger Schritt in seinem Modellbau, sagt Howard, und half dem Team, überprüfbare Vorhersagen zu treffen.

"Wir haben es mit einem grundlegenden biologischen Prozess in Zellen zu tun, der eine ausgefeilte arithmetische Berechnung durchführt", sagt Howard. "Niemand hat zuvor wirklich darüber nachgedacht, es so zu machen."