Ein Modellorganismus für die Systembiologie

i-90c1559fae1f9f859f7e3396d4650875-mycoplasma_cover-thumb-550x203.jpg

Ein Bakterium mit der Minimalausstattung an Genen, die zum eigenständigen Überleben notwendig sind wird zum Modellorganismus für die Systembiologie. Drei Veröffentlichungen in der neuen Ausgabe von Science beschreiben die molekularen Baupläne von Mycoplasma pneumoniae. Komplexe Regulationsmechnismen verhelfen dem Organismus mit nur rund 700 Genen zu einer erstaunlichen Anpassungsfähigkeit.

Forschung in der Biologie arbeitet mit Modellorganismen. Seien es Bakterien, Pilze, Pflanzen oder Tiere – für spezifische biologische Fragestellungen gibt es spezifische biologische Systeme, die in Laboren einfach gezüchtet und untersucht werden können. Für die molekularbiologischen Grundlagen gibt es E. coli. Für die Untersuchung des Zellzyklus Hefe. Die Fruchtfliege Drosophila wird unter anderem zur Untersuchung entwicklungsbiologischer Fragestellungen gezüchtet, Labormäuse sind zum Beispiel als Krankheitsmodell geeignet, da sie relativ nahe mit dem Menschen verwand sind. Es gilt immer: So komplex wie nötig und so einfach wie möglich.

Diese Woche wird ein neuer Modellorganismus etabliert. Das Forschungsgebiet heißt Systembiologie, der Organismus ist ein Bakterium: Mycoplasma pneumoniae. In drei Publikationen in der aktuellen Ausgabe von Science* (die jetzt langsam mal online sein könnte) stellen die Forschungsgruppen von Anne-Claude Gavin und Peer Bork am EMBL in Heidelberg und von Luis Serrano am CRG in Barcelona ihre Ergebnisse vor.

Mycoplasma pneumoniae wird der neue Modellorganismus für die Systembiologie

Systembiologie ist eine relativ junge Disziplin in den Biowissenschaften. Die Idee ist, komplexe biologische Systeme in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Im Idealfall also ganze Organismen. Systembiologen arbeiten mit großen, quantitativen Datensätzen und mit experimentellen Ergebnissen genauso wie mit mathematischen Modellen.

Mycoplasma pneumoniae ist ein idealer Modellorganismus für diese Forschungsdisziplin. Es ist eines der kleinsten Lebewesen, die im Labor autark gezüchtet werden können. Das Bakterium hat nicht mehr als 700 Gene, wohl fast die Minimalausstattung, die zum Leben notwendig sind. Zum Vergleich: E. coli hat schon mehr als 4000, Hefe über 6000 und beim Menschen sind wir momentan bei rund 22000 proteinkodierenden DNA-Abschnitten.

Die drei Papers in Science beschäftigen sich auf unterschiedlichen molekularen Ebenen mit Mycoplasma pneumoniae, es geht um die Fragen, wie man einen gesamten Organismus systemisch erfassen und untersuchen kann und was Mycoplasma so besonders macht. Es stellte sich heraus: Trotz der geringen Anzahl an Genen ist die Regulation des Organismus erstaunlich komplex.

Komplexe molekulare Regulationsmechanismen trotz oder gerade wegen einer minimalen Genomgröße

Die komplette DNA des Organismus wurde sequenziert und transkriptionelle Einheiten wurden definiert. Weiter wurde die transkriptionale Regulation von Mycoplasma untersucht. Also: Welche lokalen Eigenschaften der DNA sind dafür verantwortlich, dass ein Gen niedrig oder hoch exprimiert wird.

Das zweite Paper beschäftigt sich mit dem Aufbau von Proteinkomplexen in Mycoplasma. Die Autoren konnten zeigen, dass trotz der geringen Anzahl von Proteinen eine erstaunliche Vielfalt an Proteinkomplexen exisitert. Viele Proteine haben sogenannte „moonlighting functions”. Sie wurden also auch mit Partnern assoziiert gefunden, die mit der primären Funktion des Proteins nicht direkt zu tun haben.

Neben der DNA/RNA Ebene und der Proteinebene wurde der Metabolismus von Mycoplasma pneumoniae untersucht. Zahllose Experimente mit unterschiedlichen Wachstumsmedien wurden ausgewertet um eine sogenannte metabolische Landkarte zu erstellen, Metabolite wurden experimentell bestätigt und wichtige Stoffwechselwege quantitativ untersucht.

Die drei Publikationen zusammen zeichnen ein erstes, wenn auch noch verschwommenes Abbild eines kompletten Organismus mit Zahlen und Daten zur DNA, zur Genexpression, zur Organisation des Proteoms und der metabolischen Regulation. Es ist das Grundgerüst, auf dem weitere Studien aufbauen können, alle mit dem Ziel zu verstehen, wie eigentlich Leben auf molekularer Ebene funktioniert.

science papers.jpg

*Full disclosure: Ich bin einer der Autoren auf zwei der drei Papers. Bild oben: Takuji Yamada/ EMBL

ResearchBlogging.orgGuell, M., van Noort, V., Yus, E., Chen, W., Leigh-Bell, J., Michalodimitrakis, K., Yamada, T., Arumugam, M., Doerks, T., Kuhner, S., Rode, M., Suyama, M., Schmidt, S., Gavin, A., Bork, P., & Serrano, L. (2009). Transcriptome Complexity in a Genome-Reduced Bacterium Science, 326 (5957), 1268-1271 DOI: 10.1126/science.1176951

ResearchBlogging.orgYus, E., Maier, T., Michalodimitrakis, K., van Noort, V., Yamada, T., Chen, W., Wodke, J., Guell, M., Martinez, S., Bourgeois, R., Kuhner, S., Raineri, E., Letunic, I., Kalinina, O., Rode, M., Herrmann, R., Gutierrez-Gallego, R., Russell, R., Gavin, A., Bork, P., & Serrano, L. (2009). Impact of Genome Reduction on Bacterial Metabolism and Its Regulation Science, 326 (5957), 1263-1268 DOI: 10.1126/science.1177263

ResearchBlogging.orgKuhner, S., van Noort, V., Betts, M., Leo-Macias, A., Batisse, C., Rode, M., Yamada, T., Maier, T., Bader, S., Beltran-Alvarez, P., Castano-Diez, D., Chen, W., Devos, D., Guell, M., Norambuena, T., Racke, I., Rybin, V., Schmidt, A., Yus, E., Aebersold, R., Herrmann, R., Bottcher, B., Frangakis, A., Russell, R., Serrano, L., Bork, P., & Gavin, A. (2009). Proteome Organization in a Genome-Reduced Bacterium Science, 326 (5957), 1235-1240 DOI: 10.1126/science.1176343

flattr this!

Kommentare

  1. #1 Tobias
    27. November 2009

    Drei Gläser Sekt am Morgen, und der Tag ist dein Freund.

    Ein Kommentar zu den Papers in Nature

    Einer direkt in Science

  2. #2 Stefan Rauschen
    27. November 2009

    Gratulation, der Sekt ist ja auch redlich verdient!

  3. #3 Chris
    27. November 2009

    Na dann mal herzlichen Glückwunsch, ein wenig feiern werdet ihr wohl.

  4. #4 Dirk
    27. November 2009

    Herzlichen Glückwunsch zu der Veröffentlichung. Kommt ja selten genug vor das Deutsche Autoren dort veröffentlichen, also dürfte es statt Sekt auch gern Champagner sein.

    PS. Die Beiträge sind inzwischen übrigens online. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/326/5957/1235

  5. #5 Jens Christian Heuer
    27. November 2009

    Hallo Tobias,

    Meinen herzlichen Glückwunsch! Eine tolle Sache in einer international so angesehen Zeitschrift zu publizieren.

    Bei dieser Gelegenheit möchte ich noch auf eine brandaktuelle Veröffentlichung hinweisen, die Dein Fachgebiet berührt:

    Vor 13 Jahren machte, wie du Dich sicher noch erinnerst, der Marsmeteorit ALH (Allan Hills)840014 weltweite Schlagzeilen. NASA – Wissenschaftler gaben seinerzeit in einer Pressekonferenz die Entdeckung fossiler Lebensspuren bekannt (Erläuterungen hier: http://www.lpi.usra.edu/lpi/meteorites/life.html). Eine langanhaltende kontroverse Debatte, über die Tragfähigkeit der vorgebrachten Indizienkette folgte ( http://en.wikipedia.org/wiki/Allan_Hills_84001). Immer wieder wurde bezweifelt, daß es sich um Lebensspuren handelt. Insbesondere für die Magnetit-Kristalle wurde eine physikalische anstatt einer biologischen Erklärung (Bakterien, die sich am planetaren Magnetfeld orientiern!) bevorzugt.

    Eine neue Untersuchung der NASA mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop scheint nun entgültig zu belegen, daß die Magnetit-Kristalle tatsächlich biologischen Ursprungs sind!!!

    Links:

    1) Arikel Spacefligt Now http://www.spaceflightnow.com/news/n0911/24marslife/

    2) Orinalarbeit in Geochimica et Cosmochimica Acta
    http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V66-4WJ3DX3-1&_user=10&_coverDate=11%2F01%2F2009&_alid=1110069163&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5806&_sort=r&_docanchor=&view=c&_ct=120&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=16ee9b784c5954b574478541063feb26

    ALH 84001: Am Ende also doch eine Jahrhundert-Entdeckung!?

    Viele Grüße und alles Gute für die Zukunft (in der Wissenschaft und persönlich)

    Jens Christian Heuer
    http://pharmakologie.wordpress.com/

  6. #6 Tobias
    27. November 2009

    Dirk,
    hier in Spanien ist es weder Sekt noch Champagner, sondern Cava! Schön auch, dass das Wochenende vor der Tür steht :-)

  7. #7 Gunnar
    27. November 2009

    Herz, was willst du mehr?

    das ist wohl mit Fug und Recht deine Woche!

    Herzlichen Glückwunsch!!

  8. #8 Lars Fischer
    27. November 2009

    @ Tobias:
    Glückwunsch. Die Meldung ist mir gestern schon aufgefallen, die liegen schon ganz oben auf meinem Lesestapel.

    @ Jens Christian Heuer:
    Ich les das Paper grad durch. Spannend, aber ob ich überzeugt bin, muss sich noch zeigen.

  9. #9 Blugger
    27. November 2009

    @Tobias
    herzlichen Glückwunsch. Supersache und tolles Thema und überhaupt ist das alles so spannend und aufregend!

  10. #10 Christian Reinboth
    27. November 2009

    Wow – als deutscher Autor gleich doppelt in Science vertreten – und dann auch noch mit einem so spannenden Thema. Mehr kann man sich kaum wünschen. Kudos!

  11. #11 Chris
    27. November 2009

    Auch von mir meine herzlichsten Glückwünsche!

  12. #12 Marc Scheloske
    27. November 2009

    Muß jetzt auch noch öffentlich meine Glückwünsche loswerden. Klingt interessant. 689 Gene hat das Ding. Sehr übersichtlich, leuchtet ein. Wie hoch stehen die Chancen, daß man Organismen findet, die noch bescheidener sind und ebenfalls Auto-Replikation beherrschen?

    Wenn ich richtig sehe, dann hat Nanoarchaeum equitans noch weniger Gene?

    In der SZ ist übrigens auch schon was drüber zu lesen. hier…

  13. #13 Tobias
    27. November 2009

    Danke, Marc.
    Es gibt noch eine Reihe kleinerer Organismen. Die sind aber endosymbiontisch oder parasitär, genauso wie das von dir erwähnte Nanoarchaeon. Mycoplasma pneumoniae ist aber mit das kleinste Bakterium, dass selbstständig leben kann und im Labor kultivierbar ist. Daher ist es als Modellorganismus besser geeignet.
    Ausserdem hat M. pneumoniae auch medizinische Relevanz.

  14. #14 Achim Raschka
    27. November 2009

    Dann hänge ich mich mal in den Gratulantenstrom – ein ziemlich spannender Artikel, und laiengerecht gebastelt – danke.

  15. #15 Sören
    27. November 2009

    Hey Tobias,

    Glückwunsch zur Veröffentlichung! Das war ja mal ne coole Woche für Dich!

    Die Thematik erinnert mich gerad stark an den Kram, den ich momentan lerne…

  16. #16 MoritzT
    1. Dezember 2009

    Hi Tobias!

    Gratulation zu Deinem Erfolg! Macht Mut, oder? ;-)

  17. #17 Tobias
    3. Dezember 2009

    Vielen Dank für die vielen Glückwünsche.

    Craig Venter hat hier noch einen Kommentar zu den Papers veröffentlicht:
    http://www.nature.com/msb/journal/v5/n1/full/msb200989.html

  18. #19 Tobias
    18. Dezember 2009