Lac-operon springt aan als repressor helemaal loslaat

De bacterie Escherichia coli kan van het ene op het andere moment een voorkeur voor lactose krijgen en houden. Wetenschappers van Harvard University tonen in Science aan dat deze switch geheel berust op een toevallige gebeurtenis en werpen hiermee nieuw licht op de werking van het klassieke lac-operon.

Het lac-operon codeert voor 3 genen die noodzakelijk zijn voor lactose-import en lactosemetabolisme. De lievelingssuiker van E. coli is glucose, lactose is een goede tweede. Wanneer er genoeg glucose voorhanden is, staat het lac-operon uit. Dit komt doordat een repressoreiwit het lac-operon bezet houdt. Lactosemoleculen worden door het membraaneiwit permease de cel in getransporteerd. Bij een hoge concentratie lactose en afwezigheid van glucose, bindt lactose aan de repressor, waardoor het lac-operon getranscribeerd wordt en de cel lactose kan verbruiken. Een van de genen van het operon codeert voor permease, waardoor er na lactose-instroom meer permease gemaakt wordt, waardoor er meer lactose-instroom komt et cetera. Kortom: de bacterie is dan overgeleverd aan lactose-metabolisme.

De onderzoekers vroegen zich af hoe het zit bij lage lactoseconcentraties. In slechts een fractie van de populatie staat het lac-operon dan aan. Ze keken expliciet naar permease, wat ze labelden met een fluorescente marker. Daarna telden ze het aantal permease-eiwitten per cel en zochten een verband met het aanstaan van het lac-operon. Uitkomst was dat wanneer een cel eenmaal 300 permease-eiwitten heeft, een kritieke grens is overschreden waardoor het lac-operon aanspringt en aan blijft staan.

Het magische aantal van 300 permease-eiwitten wordt niet vaak bereikt. De repressor bindt het operon namelijk op 2 verschillende plaatsen en laat af en toe 1 plaats heel even los. In die tijd kan er hoogstens 1 transcript worden gemaakt, waardoor het aantal permease-eiwitten geleidelijk toeneemt bij lage lactose-concentraties. Voordat 300 bereikt wordt, is de cel al gedeeld en is het aantal permease-eiwitten per cel verdund. Echter, als de repressor volledig dissocieert wordt hij gebonden door lactosemoleculen, waardoor het lac-operon aanspringt en de 300 snel bereikt wordt. Het is een kwestie van toeval of dit in een bepaalde cel gebeurt of niet.

De bevindingen van het onderzoek kunnen worden doorgetrokken naar andere cellen. Zo zou het mechanisme een rol kunnen spelen bij het voorkomen van resistente en niet-resistente bacteriën in een populatie van genetisch identieke organismen.

Bron: New Scientist