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Eines der auffälligsten Merkmale, welches uns Lebewesen von den unbelebten Objekten unterscheidet, die die Physik und die Chemie untersucht, ist die Eigenschaft, auf die Umwelt zu reagieren und sich anzupassen. Zellen können Chemikalien in ihrer Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren, da sie Mechanismen besitzen, um die Expression ihrer Gene entsprechend anzupassen.
Über die molekularen Mechanismen der Genregulierung ist schon viel bekannt; regulatorische Proteine wie z.B. Transkriptionsfaktoren binden in einer sequenz-abhängigen Weise an kurze DNA Stücke, und die Bindungsmuster dieser regulatorischen Proteine sind ziemlich gut erforscht, aber beinahe nichts ist bekannt über die Art und Weise, in der die Genregulation evolutionär entstanden ist. Neuere Arbeit aus unserem Labor hat angedeutet, dass es eine grundlegende, starke Verbindung gibt zwischen der Evolution der Genregulierung und dem Rauschen in dem Prozess der Genexpression. Wie jeder physikalische Prozess hängt auch die Genexpression von thermischen und anderen Fluktuationen ab, welche bewirken, dass sogar identische Zellen in einer homogenen Umgebung Schwankungen in ihrem Verhalten zeigen. Ein Teil dieses Genexpressions-Rauschens wird durch die Ausbreitung des Rauschens der regulatorischen Protein an ihre Zielgene verursacht, und aus unserer jüngsten Arbeit lässt sich schliessen, dass die Weiterleitung des Rauschen eine wichtige Rolle spielt bei der Entwicklung der Genregulation. In diesem Projekt werden wir mit einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Ansätzen die Rolle des Rauschens der Genexpression in der Evolution der Genregulierung am Beispiel des Bakteriums Escherichia coli untersuchen. Wir erwarten, dass diese Arbeit neue grundlegende Erkenntnisse liefert, wie Organismen lernen können, sich an ihre Umgebung anzupassen. Diese Erkenntnisse könnten wichtige Auswirkungen auf alle Gebiete der Biotechnologie haben.