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Titel: Physical aspects of bacterial cell division
Autor: Schmidt, Mischa
Weitere Beteiligte: Lenz, Peter (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0075
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0075
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-00750
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Physikalische Aspekte bakterieller Zellteilungsprozesse

Dokument

Schlagwörter:
Zellteilung, Zell zu Zell Variationen, Caulobacter crescentus, Phänotyp, Fluctuating environment, Fluktuierende Umweltbedingungen, Escherichia coli, Cellular noise

Summary:
The growth behavior of a bacterial population is determined by the growth and the division of its individual cells. The properties of the population can be understood as ensemble averages over the properties of the single cells. At the same environmental conditions, these averages have sharp values and exhibit minimal variation between different measurements. However, on the single cell level many biological processes, such as gene expression, are intrinsically noisy. This leads to strong deviations in composition and properties of individual cells belonging to the same population. Recent experimental findings classify the magnitude of these single cell variations, and show that some cellular properties are influenced more by noise than others. For example, the positioning of cell division is very precise compared to other growth properties, which are very diverse. This leads to the question if the population can draw advantages from manually regulating the noise under the respective conditions. To answer this question the influence of single cell noise on the population as a whole has to be observed. In this thesis, properties and strategies related to bacterial growth and division are discussed. In the observed biological systems, macroscopic properties are deduced from individual properties on the microscopic level. First, the mechanisms are observed that cells use to determine the position of cell division on a molecular level. The simulation of diffusion and reactions of individual proteins determines the behavior on the cellular level. Secondly, the growth of the whole bacterial population is simulated by following the growth and division of single cells. In both systems, the influence of microscopic fluctuations on the complete system is discussed.

Zusammenfassung:
Das Wachstum einer Bakterienpopulation wird bestimmt durch das Wachstum und die Zellteilung der einzelnen Zellen innerhalb einer Population. Da bei jeder Zellteilung zwei neue Zellen entstehen, ist das Wachstum einer Population exponentiell. Die Eigenschaften von Populationen können als Mittelwerte über die Eigenschaften aller einzelnen Zellen verstanden werden. Da eine Population aus sehr vielen einzelnen Zellen besteht, sind unter gleichen Bedingungen auch die Mittelwerte und damit die Populationseigenschaften immer gleich. Auf Einzelzellebene allerdings existieren Variationen zwischen den einzelnen Zellen. Zahlreiche aktuelle Untersuchungen zeigen, wie stark gewisse Eigenschaften innerhalb einer Population variieren können. Manche Bakterien haben Mechanismen entwickelt, um zu starke Fluktuationen zwischen den Zellen zu vermeiden. So wurde beobachtet, dass einige Zelleigenschaften stärker schwanken als andere. Zum Bespiel ist der Ort der Zellteilung sehr präzise reguliert, andere Wachstumseigenschaften hingegen verhalten sich sehr divers. Daraus ergibt sich die Frage, welchen Einfluss Fluktuationen auf Einzelzellebene unter verschiedenen Bedingungen auf die gesamte Population haben. In dieser Arbeit werden Eigenschaften und Strategien im Zusammenhang mit Zellteilungsprozessen von Bakterien diskutiert. In den untersuchten biologischen Systemen wird das makroskopische Verhalten einer Population von den Eigenschaften der Zellen auf mikroskopischer Ebene bestimmt. Zunächst werden Mechanismen mit denen eine einzelne Zelle den Ort ihrer eigenen Teilung festlegen kann untersucht. Die Position, an der die Teilung erfolgt, wird von speziellen Proteinen kontrolliert. Die Simulation der Diffusion und der Reaktionen einzelner Proteine in der Zelle lassen Rückschlüsse auf das Verhalten auf zellulärer Ebene zu. Im Anschluss wird die Population als Ganzes betrachtet. Hier wird das Wachstumsverhalten der Population aus dem Wachstum und der Teilung ihrer Zellen abgeleitet.


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