In der Biologie Wissenschaftler führen Experimente in der Regel zuerst, und dann entwickeln mathematische oder Computer-Modelle danach zu zeigen, wie die gesammelten Daten mit der Theorie passen . In seiner Arbeit , Flips Rob Phillips diese Praxis auf den Kopf. Die Caltech Biophysiker greift Fragen der Zellbiologie als Physiker würde - durch erste Formulierung eines Modells, Vorhersagen zu machen können und dann Testen dieser Vorhersagen. Mit dieser Strategie haben Phillips und seine Gruppe vor kurzem entwickelte ein mathematisches Modell , das für die Art und Weise Gene miteinander konkurrieren für die Proteine, deren Expression regulieren Konten .
Ein Papier beschreibt die Arbeit erscheint in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Cell. Die Blei Autoren auf dem Papier sind Robert Brewster und Franz Weinert, Postdoc- Forscher in Phillips Labor .
" Die Sache, die diese Studie wirklich interessant macht, ist , dass wir unsere Berechnungen , bevor wir überhaupt keine Experimente haben ", sagt Phillips, die Fred und Nancy Morris Professor für Biophysik und Biologie am California Institute of Technology und Principal Investigator der Studie. "So wie es ist erstaunlich , dass wir Gleichungen für die Umlaufbahnen der Planeten um Sterne, ich denke, es ist erstaunlich, dass wir beginnen , um Gleichungen, die die komplexe Verhaltensweisen einer lebenden Zelle vorhersagen zu schreiben. "
Eine Reihe von Forschungsteams sind daran interessiert, Modellierung Genexpression - genau beschreibt alle Prozesse beim Übergang von einem Gen zum Protein oder anderen Produkt von dieser DNA kodiert beteiligt. Der Einfachheit halber , obwohl, die meisten dieser Modelle nicht den Wettbewerb zu berücksichtigen. Stattdessen gehen sie davon aus , dass jedes Gen hat viel , was es braucht, um damit zum Ausdruck gebracht werden - einschließlich der regulatorischen Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren. Allerdings weist Phillips herausstellt, gibt oft nicht genug Transkriptionsfaktor um und alle Gene in einer Zelle zu regulieren. Zum einen können mehrfache Kopien eines Gens in derselben Zelle vorhanden sind. Beispielsweise im Fall von Genen auf kreisförmige Stücke von etwa Plasmide bekannten DNA ausgedrückt wird, ist es üblich, Hunderte von Kopien in einer einzelnen Zelle zu finden. Darüber hinaus sind die zur Bindung an eine Vielzahl von verschiedenen Genen viele Transkriptionsfaktoren. So, wie in einem Spiel von Jerusalem , die Gene, muss für eine knappe Ressource konkurrieren - die Transkriptionsfaktoren.
Phillips und seine Kollegen wollten ein realistischeres Modell , indem in diesem Wettbewerb zu schaffen. Um dies zu tun , sahen sie , wie der Ebene der Genexpression in Abhängigkeit von der Menge der Transkription in der Zelle vorhanden Faktor abhängig . Um die Komplexität zu begrenzen, arbeiteten sie mit einer relativ einfachen Fall - ein Gen, das in dem Bakterium E. coli das hat nur eine Bindungsstelle , wo ein Transkriptionsfaktor befestigen können . In diesem Fall, wenn der Transkriptionsfaktor bindet, an das Gen , es tatsächlich verhindert, dass das Gen die Bereitstellung seiner Produkt - es Expression reprimiert .
Ihre mathematischen Modell aufzubauen , zuerst berücksichtigt die Forscher die verschiedenen Möglichkeiten, in denen die zur Verfügung stehende Transkriptionsfaktor mit den Kopien des bestimmten Gens , die in der Zelle vorhanden sind, in Wechselwirkung treten , und dann entwickelt eine statistische Theorie , um die Situation darzustellen.
" Stellen Sie sich vor , dass Sie in einem Hörsaal zu gehen, und Sie wissen, gibt es eine bestimmte Anzahl von Sitzen und eine bestimmte Anzahl von Menschen . Es gibt viele verschiedene Sitzgelegenheiten , die alle zu den Menschen aufnehmen konnte ", sagt Phillips. "Wenn man wollte , könnte man systematisch alle diese Vereinbarungen aufzuzählen und herauszufinden Dinge über die Statistik - . , Wie oft zwei Personen nächstes sitzen einander , wenn es rein zufällig , und so weiter Das ist im Grunde das, was wir mit diesen Genen haben und Transkriptionsfaktoren . "
Unter Verwendung des resultierenden Modells , waren in der Lage , um Vorhersagen über das, was passieren würde, machen die Forscher , wenn das Niveau der Transkriptionsfaktor und der Anzahl der Genkopien waren unabhängig variiert , so dass die Proteine wurden entweder in der hohen Nachfrage und es gab viel zu umgehen , zum Beispiel .
Mit Vorhersagen in der Hand, die Forscher nächsten Experimente , während Sie auf E. coli-Zellen unter dem Mikroskop. Zu beginnen , führten sie die Gene auf den Plasmiden in den Zellen. Sie brauchten, um zu verfolgen , wie viel Transkriptionsfaktor war anwesend und die Rate der Genexpression in Gegenwart von dieser Ebene der Transkriptionsfaktor . Unter Verwendung von fluoreszierenden Proteinen , waren sie in der Lage, diese Änderungen in der Zelle mit der Zeit zu folgen : der Transkriptionsfaktor up rot leuchtet, während das Protein durch das Gen ohne den Transkriptionsfaktor gebunden ausgedrückt leuchteten grün. Verwenden von Videofluoreszenzmikroskopieund ein Verfahren , im Labor von Caltech Biologe Michael Elowitz entwickelt , für die Bestimmung der Helligkeit eines einzelnen Moleküls , die Forscher in der Lage, das Niveau der Transkriptionsfaktor Gegenwart und die Geschwindigkeit, mit der die grüne Protein wurde wie zu zählen die Zellen wuchsen und aufgeteilt.
Das Team fand heraus , dass die experimentellen Daten stimmten mit den Vorhersagen waren sie sehr gut gemacht . "Wie erwartet , so finden wir , dass es zwei interessante Regime ", sagt Brewster . "Einer ist, dass es einfach nicht genug Protein zu füllen die Nachfrage . Daher werden alle Kopien des Gens können nicht gleichzeitig unterdrückt werden , und ein Teil leuchtet grün die ganze Zeit. In diesem Fall gibt es Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Kopien der Gene . Sie wissen , in einem Sinn , daß die anderen existieren der zweite Fall ist, daß es eine Menge des Transkriptionsfaktors in der Umgebung , in diesem Fall wirken die Gene fast genauso, als ob die anderen Genen gibt es nicht - es ist genug. Protein gleichzeitig abgeschaltet alle Gene . "
Die Daten passen so gut mit ihr Modell in der Tat, dass Phillips und seine Kollegen konnten Plots der Daten verwenden, um vorherzusagen, wie viele Kopien der Plasmid würde in einer Zelle gefunden werden , wie es wuchs und mehrte an verschiedenen Punkten in der gesamten Zelle Zyklus.
" Viele Male in der Wissenschaft Sie beginnen zu versuchen, etwas zu verstehen , und dann so gut es zu verstehen , dass Sie in der Lage, es als ein Werkzeug zu verwenden, um etwas anderes zu messen sind ", sagt Phillips. "Unser Modell hat sich zu einem Instrument zur Messung der Dynamik , wie Plasmide vermehren. Und die Dynamik , wie sie sich vermehren ist nicht das, was wir naiv erwartet hätte. Das ist ein kleiner Hinweis , dass wir jetzt direkt verfolgen . "
Insgesamt , sagt er, " das zeigt, dass die Behauptung, dass die Biologie ist zu kompliziert , um prädiktive sein könnte zu pessimistisch zumindest im Zusammenhang mit Bakterien, . "