Diauxie – Wikipedia

Diauxie ist ein griechisches Wort, das von Jacques Monod geprägt wurde und zwei Wachstumsphasen bedeutet. Das Wort wird im Englischen in der Zellbiologie verwendet, um die Wachstumsphasen eines Mikroorganismus in Chargenkultur zu beschreiben, wenn er eine Mischung aus zwei Zuckern metabolisiert. Anstatt die beiden verfügbaren Zucker gleichzeitig zu metabolisieren, verbrauchen mikrobielle Zellen sie üblicherweise in einem sequentiellen Muster, was zu zwei getrennten Wachstumsphasen führt.

Wachstumsphasen[edit]

Monods ursprüngliche Ergebnisse zu Diauxie. Die Zeit in Stunden ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die optische Dichte (entspricht der Zellkonzentration) ist auf der vertikalen Achse aufgetragen.

Jacques Monod entdeckte 1941 während seiner Experimente mit diauxischem Wachstum Escherichia coli und Bacillus subtilis. Während Monod diese Bakterien während seiner Doktorarbeit auf verschiedenen Zuckerkombinationen züchtete, stellte er fest, dass in der Batch-Kultur häufig zwei unterschiedliche Wachstumsphasen deutlich sichtbar sind, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Während der ersten Phase metabolisieren Zellen bevorzugt den Zucker, auf dem sie schneller wachsen können (oft Glukose, aber nicht immer). Erst wenn der erste Zucker erschöpft ist, wechseln die Zellen zum zweiten. Zum Zeitpunkt der “Diaux-Verschiebung” gibt es oft eine Verzögerungszeit, in der Zellen die Enzyme produzieren, die zur Metabolisierung des zweiten Zuckers benötigt werden.

Monod legte später seine Arbeit über diauxisches Wachstum beiseite und konzentrierte sich auf die lac Operonmodell der Genexpression, das zu einem Nobelpreis führte.

Diauxie tritt auf, weil Organismen Operons oder mehrere Sätze von Genen verwenden, um die Expression von Enzymen, die zur Metabolisierung der verschiedenen Nährstoffe oder Zucker, denen sie begegnen, benötigt werden, unterschiedlich zu steuern. Wenn ein Organismus seine Energie und andere Ressourcen (z. B. Aminosäuren) zur Synthese von Enzymen verwendet, die zur Metabolisierung eines Zuckers benötigt werden, der nur eine langsamere Wachstumsrate unterstützen kann, und nicht alle oder die meisten seiner verfügbaren Ressourcen zur Synthese der Enzyme verwendet, die eine andere Zuckerversorgung metabolisieren Bei einer schnelleren Wachstumsrate ist ein solcher Organismus im Vergleich zu jenen, die sich dafür entscheiden, auf dem schneller wachsenden wachstumsunterstützenden Zucker zu wachsen, reproduktiv benachteiligt. Durch die Evolution haben Organismen die Fähigkeit entwickelt, ihre genetischen Kontrollmechanismen zu regulieren, um nur die Gene zu exprimieren, die zu der schnellsten Wachstumsrate führen. Wenn zum Beispiel in Gegenwart von sowohl Glucose als auch Maltose gezüchtet wird, Lactococcus lactis wird Enzyme produzieren, um zuerst Glukose zu metabolisieren, und seine Genexpression ändern, um Maltose erst zu verwenden, nachdem die Versorgung mit Glukose erschöpft ist.

Aerobe Gärung[edit]

Im Fall der Bäcker- oder Bierhefe Saccharomyces cerevisiae Wenn man auf Glucose mit viel Belüftung wächst, wird das diauxische Wachstumsmuster üblicherweise in Batch-Kultur beobachtet. Während der ersten Wachstumsphase, wenn reichlich Glukose und Sauerstoff verfügbar sind, bevorzugen die Hefezellen die Glukosefermentation gegenüber der aeroben Atmung, was als aerobe Fermentation bekannt ist. Obwohl die aerobe Atmung ein energetisch effizienterer Weg zu sein scheint, um auf Glukose zu wachsen, ist dies in der Tat ein eher ineffizienter Weg, um die Biomasse zu erhöhen, da der größte Teil des Kohlenstoffs in der Glukose zu Kohlendioxid oxidiert wird, anstatt in neue Aminosäuren oder Fettsäuren eingebaut zu werden . Im Gegensatz zum häufigeren Pasteur-Effekt kommt dieses Phänomen dem Warburg-Effekt näher, der bei schneller wachsenden Tumoren beobachtet wird.

Die intrazellulären genetischen Regulationsmechanismen haben sich weiterentwickelt, um diese Wahl zu erzwingen, da die Fermentation eine schnellere anabole Wachstumsrate für die Hefezellen liefert als die aerobe Atmung von Glucose, was den Katabolismus begünstigt. Nach dem Abbau der Glucose wird das fermentative Produkt Ethanol in einer merklich langsameren zweiten Wachstumsphase oxidiert, wenn Sauerstoff verfügbar ist.

Vorgeschlagene Mechanismen[edit]

In den 1940er Jahren stellte Monod die Hypothese auf, dass sich ein einzelnes Enzym anpassen könnte, um verschiedene Zucker zu metabolisieren. Es dauerte 15 Jahre weiterer Arbeit, um zu zeigen, dass dies falsch war. Während seiner Arbeit am Lac Operon von E coliJoshua Lederberg isolierte β-Galactosidase und fand sie in größeren Mengen in Kolonien, die auf Lactose gezüchtet wurden, im Vergleich zu anderen Zuckern. Melvin Cohn fand dann in Monods Labor am Pasteur-Institut heraus, dass β-Galactoside die Enzymaktivität induzierten. Die Idee der Enzymanpassung wurde daher durch das Konzept der Enzyminduktion ersetzt, bei der ein Molekül die Expression eines Gens oder Operons induziert, häufig indem es an ein Repressorprotein bindet und verhindert, dass es sich an den Operator bindet.^[1]

Im Fall der bakteriellen diauxischen Verschiebung vom Glucose- zum Lactosestoffwechsel schlug ein vorgeschlagener Mechanismus vor, dass Glucose anfänglich die Fähigkeit des Enzyms Adenylatcyclase hemmt, cyclisches AMP (cAMP) zu synthetisieren. cAMP wiederum ist erforderlich, damit das Katabolitenaktivatorprotein (CAP) an DNA bindet und die Transkription des lac-Operons aktiviert, das Gene enthält, die für den Laktosestoffwechsel erforderlich sind. Das Vorhandensein von Allolactose, einem Stoffwechselprodukt von Lactose, wird durch die Aktivität des lac-Repressors erfasst, der die Transkription des lac-Operons hemmt, bis Lactose vorhanden ist. Wenn also Glucose vorhanden ist, bleiben die cAMP-Spiegel niedrig, so dass CAP die Transkription des lac-Operons unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Lactose nicht aktivieren kann. Bei Erschöpfung der Glukoseversorgung steigen die cAMP-Spiegel an, wodurch CAP die Gene aktivieren kann, die für den Metabolismus anderer Nahrungsquellen erforderlich sind, einschließlich Laktose, falls vorhanden.^[2]

Neuere Forschungen legen jedoch nahe, dass das cAMP-Modell in diesem Fall nicht korrekt ist, da die cAMP-Spiegel unter Glukose- und Laktosewachstumsbedingungen identisch bleiben, und ein anderes Modell wurde vorgeschlagen, und es legt nahe, dass das Laktose-Glukose-Diauxie in E coli kann hauptsächlich durch Ausschluss des Induktors verursacht werden.^[3] In diesem Modell Glukosetransport über die EIIA^Glc Schaltet die Laktosepermease ab, wenn Glukose in die Zelle transportiert wird, sodass Laktose nicht in die Zelle transportiert und verwendet wird. Während der cAMP / CAP-Mechanismus möglicherweise keine Rolle bei der Glucose / Lactose-Diauxie spielt, ist er ein vorgeschlagener Mechanismus für andere Diauxie.

Verweise[edit]