Bacteriën: meesters van het compromis

Het berekenen van de gulden middenweg is iets waaraan vooral economen veel aandacht besteden. Maar ook in het biologische onderzoek naar de evolutie moet telkens worden gezocht naar de evenwichtssituatie van meerdere tegengestelde processen en criteria. Neem het optimale gestel van de panter; gespierd om te kunnen sprinten, maar ook licht en lenig om in bomen te kunnen klimmen. Ook bij de evolutie van bacteriën komt het multi-criteria decision making model van de Italiaanse econoom Pareto van pas.

In een publicatie in Science afgelopen week stelt de Groningse bioloog prof. dr. Matthias Heinemann (Molecular Systems Biology) samen met collega’s van de ETH Zurich de vraag wat de belangrijkste eigenschappen zijn die bacteriën optimaliseerden tijdens de evolutie. Daarvoor gingen de onderzoekers met behulp van gelabelde voedingsstoffen na hoe bacteriën hulpbronnen inzetten.

Drie hoofdcriteria

Met de wiskunde van Pareto konden ze vervolgens bepalen dat het bij de evolutie van het bacterie-metabolisme om drie zaken draait. Ten eerste moet een bacterie voedingsstoffen zo omzetten dat hij zich zo krachtig mogelijk kan voortplanten; ten tweede moet daarbij tegelijkertijd zoveel mogelijk energie voor de dagelijkse levensfuncties beschikbaar zijn en ten derde moet de omzetting van voedsel naar energie zo effectief gebeuren, via weinig mogelijk reactiestappen.

Bijna-optimum

De onderzoekers ontdekten daarna dat het Pareto-optimum bij bacteriën niet volledig wordt bereikt, en dat er eigenlijk sprake is van een ‘bijna-Pareto-optimum’. Er moet namelijk nog aan een volgend compromis worden voldaan, dat als doel heeft een zo groot mogelijke flexibiliteit in het gebruik van voedingsbronnen te bereiken. Dat is nodig om gemakkelijk in te kunnen spelen op veranderende omgevingsfactoren.

Succes in het leven

Meer kennis over de fundamentele grondslagen waarop een bacterie werkt, is alleen al belangrijk omdat de bacteriën in hun wijze van leven zo succesvol zijn dat ze in elke uithoek van de wereld aanwezig zijn, stellen de onderzoekers. Heinemann: ‘Maar we willen bacteriën ook steeds vaker inzetten in biotechnologische processen in biobased industrie. Dat wordt gemakkelijker als we meer weten over waarom ze doen, wat ze doen.’

Noot voor de pers

Meer informatie: prof. dr. Matthias Heinemann

Referentie: Multidimensional Optimality of Microbial Metabolism. R. Schütz, N. Zamboni, M. Zampieri, M. Heinemann, U. Sauer . Science, 2012, 336

http://dx.doi.org/10.1126/science.1216882