Chemotactic Response and Adaptation Dynamics in Escherichia coli

适应(眼睛) 去甲基化 生物系统 大肠杆菌 趋化性 感觉适应 生物 生物物理学 化学 神经科学 感觉系统 受体 生物化学 基因表达 DNA甲基化 基因
作者
Diana Clausznitzer,Olga Oleksiuk,Linda Løvdok,Victor Sourjik,Robert G. Endres
出处
期刊:PLOS Computational Biology [Public Library of Science]
卷期号:6 (5): e1000784-e1000784 被引量:63
标识
DOI:10.1371/journal.pcbi.1000784
摘要

Adaptation of the chemotaxis sensory pathway of the bacterium Escherichia coli is integral for detecting chemicals over a wide range of background concentrations, ultimately allowing cells to swim towards sources of attractant and away from repellents. Its biochemical mechanism based on methylation and demethylation of chemoreceptors has long been known. Despite the importance of adaptation for cell memory and behavior, the dynamics of adaptation are difficult to reconcile with current models of precise adaptation. Here, we follow time courses of signaling in response to concentration step changes of attractant using in vivo fluorescence resonance energy transfer measurements. Specifically, we use a condensed representation of adaptation time courses for efficient evaluation of different adaptation models. To quantitatively explain the data, we finally develop a dynamic model for signaling and adaptation based on the attractant flow in the experiment, signaling by cooperative receptor complexes, and multiple layers of feedback regulation for adaptation. We experimentally confirm the predicted effects of changing the enzyme-expression level and bypassing the negative feedback for demethylation. Our data analysis suggests significant imprecision in adaptation for large additions. Furthermore, our model predicts highly regulated, ultrafast adaptation in response to removal of attractant, which may be useful for fast reorientation of the cell and noise reduction in adaptation.
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