Wie schnell kann ein Bakterium wachsen?

Alle Lebewesen müssen den Gesetzen der Physik gehorchen – einschließlich des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass die Unordnung des Universums, die Entropie, nur wachsen kann. Hochgradig geordnete Zellen und Organismen scheinen diesem Prinzip zu widersprechen, aber sie halten sich tatsächlich daran, weil sie Wärme erzeugen, die die Gesamtentropie des Universums erhöht.
Dennoch bleiben Fragen offen: Wo liegt die theoretische Grenze dafür, wie viel Wärme eine lebende Zelle erzeugen muss, um ihre thermodynamischen Bedingungen zu erfüllen? Und wie nah kommen Zellen an diese Grenze heran?
In einer kürzlich im Journal of Chemical Physics veröffentlichten Arbeit hat der MIT-Physiker Jeremy England die Replikation von E. coli-Bakterien mathematisch modelliert und festgestellt, dass der Prozess fast so effizient wie möglich ist: E. coli produzieren höchstens etwa sechsmal mehr Wärme, als sie benötigen, um die Anforderungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu erfüllen.
„Wenn man davon ausgeht, woraus das Bakterium besteht und wie schnell es wächst, was wäre dann die Mindestmenge an Wärme, die es an seine Umgebung abgeben müsste? Wenn man das mit der Wärmemenge vergleicht, die das Bakterium tatsächlich abgibt, liegen sie ungefähr in der gleichen Größenordnung“, sagt England, ein Assistenzprofessor für Physik. „
Englands Ansatz zur Modellierung biologischer Systeme beruht auf der statistischen Mechanik, die die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Anordnungen von Atomen oder Molekülen berechnet. Er konzentrierte sich auf den biologischen Prozess der Zellteilung, bei dem aus einer Zelle zwei werden. Während des 20-minütigen Replikationsprozesses verbraucht ein Bakterium eine große Menge an Nahrung, ordnet viele seiner Moleküle neu an – einschließlich DNA und Proteine – und teilt sich dann in zwei Zellen.
Um die minimale Wärmemenge zu berechnen, die ein Bakterium während dieses Prozesses erzeugen muss, beschloss England, die Thermodynamik des umgekehrten Prozesses zu untersuchen – d. h., dass aus zwei Zellen eine wird. Dies ist so unwahrscheinlich, dass es wahrscheinlich nie passieren wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass es passiert, lässt sich jedoch abschätzen, indem man die Wahrscheinlichkeiten der Umkehrung aller kleineren Reaktionen, die während der Replikation stattfinden, zusammenfasst.
Eine der üblichen Reaktionen, die während der Replikation ablaufen, ist die Bildung neuer Peptidbindungen, die das Rückgrat der Proteine bilden. Die spontane Umkehrung dieser Art von Reaktion würde etwa 600 Jahre dauern, sagt England. Die Anzahl der Peptidbindungen in einem typischen Bakterium beträgt etwa 1,6 Milliarden, und die zum Aufbrechen all dieser Bindungen erforderliche Wärmestärke liegt bei etwa 100 Milliarden natürlichen Einheiten.
„Ich müsste sehr lange warten, um zu sehen, wie all diese Bindungen zerfallen“, sagt England.
Durch Abschätzung der Wartezeit, die erforderlich ist, um eine spontane Umkehrung der Replikation zu beobachten, berechnete England, dass die minimale Wärmemenge, die ein Bakterium bei seiner Teilung erzeugen muss, etwas mehr als ein Sechstel der Menge beträgt, die eine E. coli-Zelle während der Replikation tatsächlich produziert.
„Als Physiker, der versucht, einen Beitrag zur Erforschung des Lebens zu leisten, finde ich seinen Erfolg äußerst ermutigend“, sagt Carl Franck, ein außerordentlicher Professor für Physik an der Cornell University. „Mit Eleganz liefert er quantitative Einblicke in einen Kernaspekt der lebenden Materie: die Replikation. Er hat das Einfache und Interessante an etwas sehr Kompliziertem auf den Punkt gebracht.“
Die Entdeckung legt nahe, dass Bakterien dramatisch schneller wachsen könnten als bisher und dennoch dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorchen. Da die Zellreplikation nur eine der vielen Aufgaben ist, die E. coli erfüllen müssen, ist es unwahrscheinlich, dass sie sich zu ihrer effizientesten Wachstumsrate entwickeln würden, sagt England. Für Anwendungen in der synthetischen Biologie könnte es jedoch nützlich sein, Bakterien zu schaffen, die sich schneller teilen können, was laut dieser Arbeit theoretisch möglich ist.
Die Arbeit könnte auch einen Hinweis darauf liefern, warum sich die DNA und nicht die RNA als Hauptform des genetischen Materials entwickelt hat, so England: Die DNA ist haltbarer und bricht ihre Bindungen nicht so leicht spontan auf wie die RNA. Das bedeutet, dass die RNA möglicherweise einen Vorteil gegenüber der DNA hat, weil sie schneller wachsen und die verfügbaren Ressourcen verbrauchen kann. Dies unterstützt die bereits früher aufgestellte Hypothese, dass sich die RNA zuerst entwickelt haben könnte, bevor das Leben auf der Erde entstand, und die DNA erst später auftauchte.
„Ich denke, dass dies ein hilfreicher Weg ist, um die verschiedenen Arten von Selektionskräften, die auf Nukleinsäuren eingewirkt haben könnten, ein wenig besser in den Griff zu bekommen“, sagt England.
Er verwendet nun denselben theoretischen Ansatz, um zu modellieren, wie sich selbstreplizierende Zellen entwickeln, indem sie neue Wege zur Anpassung an Umweltschwankungen finden.