Mechanisms of spatial organisation within bacterial cells

Aufgrund ihrer geringen Größe glaubte man früher, Bakterien seien nicht mehr als Proteinsäcke und würden sich lediglich auf einfache Diffusion verlassen, um alle für ihr Überleben notwendigen chemischen Reaktionen auszuführen. Heute weiß man jedoch, dass sie eine komplexe interne Organisation besitzen, auch wenn ihnen die durch Membranen abgegrenzten Organellen fehlen, die in eukaryotischen Zellen zu finden sind. Bakterien sind in der Lage, Proteine präzise zu positionieren, Protein-Oszillationen zu koordinieren und Chromosomen sowie Plasmide effektiv zu segregieren. Obwohl moderne Mikroskopietechniken es uns erlauben, die innere Organisation zu visualisieren, sind die genauen molekularen Interaktionen, die diesen Phänomenen zugrunde liegen, nach wie vor schwer zu fassen. Die Anwendung mathematischer und physikalischer Modelle ist daher ein nützlicher Ansatz, um die grundlegenden Mechanismen der bakteriellen Organisation zu verstehen. In dieser Arbeit setzen wir mathematische und physikalische Modelle ein, um die Feinheiten der räumlichen Organisation von bakteriellen Zellen zu untersuchen. Im Mittelpunkt unserer Untersuchung stehen zwei unterschiedliche Phänomene: Die Umverteilung eines Proteins des Tol-Pal-Systems (wie im Teil i erläutert), sowie der Mechanismus, der im ParABS -System die Segregation von genetischem Material und Plasmiden mit geringer Kopienzahl steuert (wie im Teil ii beschrieben). Basierend auf experimentellen Daten entwickeln wir Modelle, um die Funktionsweise und Interaktionen innerhalb dieser Systeme zu entschlüsseln. Der erste Teil dieser Arbeit verwendet einen deterministischen Modellierungsansatz zur Beschreibung der Proteinrelokalisierung durch ein System von Differentialgleichungen. Wir beginnen mit der analytischen Lösung eines vereinfachten Modells, das die Essenz des biologischen Problems erfasst. Im Anschluss erweitern wir dieses Modell, um eine detailliertere Abbildung des Systems zu erhalten, welche wir dann numerisch lösen. Wir zeigen, dass Proteine durch einen "Mobilisierungs und Einfangmechanismus"lokalisiert werden können. Im zweiten Teil wenden wir die stochastische Modellierung an und zeigen zunächst, dass es theoretisch möglich ist, das beobachtete Ausbreitungsmuster auf der DNA durch einen auf Diffusion basierenden Gleitmechanismus des Proteins zu erklären. Anschließend zeigen wir, dass Protein-Protein-Brücken aufgrund ihrer Lebensdauer Haarnadel- und Helixstrukturen in der DNA erzeugen können. Wir vereinen Gleiten und Brückenbildung in einem einheitlichen Modell und beobachten, dass kurzlebige Brücken das Gleiten nicht beeinträchtigen, jedoch sowohl das Protein-Bindungsprofil als auch die erwartete DNA-Kondensation reproduzieren können. Schließlich entwickeln wir ein Modell für einen alternativen Mechanismus der DNA-Segregation durch das ParABS -System, das das experimentell beobachtete Verhalten widerspiegelt.