Integrierender Regler für Zellen

Viele heutige technische Anwendungen kommen nicht mehr ohne sie aus: integrierende Regelkreise (engl. integral feedback control). Solche Regelungssysteme halten Flugzeuge auf einer bestimmten Flugh?he, ein Fahrzeug bei konstanter Geschwindigkeit auf der Autobahn oder einen Industrieofen bei gleicher Temperatur. Durch ein solches Regelungssystem wird in der Regel eine ?perfekte, robuste Adaptation? gegen¨¹ber St?rungen erreicht.

Mit robuster perfekter Anpassung ist gemeint, dass sich das Regelungssystem stets auf den voreingestellten Soll-Wert einpendelt, und zwar unabh?ngig von externen St?rungen oder von Parametern des Systems, das man regulieren m?chte. Ein Regelkreis erreicht dies, in dem die Reaktion des zu regulierenden Systems ¨¹ber die Zeit integriert wird. Das daraus resultierende Signal dient wiederum dazu, das zu regulierende System zu korrigieren.

Biologie hat sie erfunden

Auch in der Biologie sind solche Regelkreise zu finden. Sie regeln die K?rpertemperatur eines Warmbl¨¹ters oder den Kalzium-Haushaltes bei S?ugetieren. Auf Zellebene sind sie verantwortlich f¨¹r das Aufrechterhalten des Zellgleichgewichts, der sogenannten Hom?ostase.

Ein synthetisch biologischer Regelkreis, der die R¨¹ckmeldungen des Systems ¨¹ber die Zeit integrieren kann, gab es aber bislang nicht. Die grosse Herausforderung besteht darin, dass in lebenden Zellen st?ndig ein starkes Hintergrundrauschen herrscht. Dieses Rauschen stammt von zuf?llig miteinander reagierenden Molek¨¹len, die nur in sehr geringen Mengen vorkommen. Auch k?nnen diese Molek¨¹le pl?tzlich h?ufiger werden, aber auch w?hrend l?ngerer Zeit komplett verschwinden ¨C dabei spielt der Zufall eine grosse Rolle.

K¨¹nstlicher Regelkreis in Zelle

Mustafa Khammash, Professor f¨¹r Regelungstheorie und Systembiologie am Department Biosysteme in Basel und seine Mitarbeiter Corentin Briat und Ankit Gupta pr?sentieren nun f¨¹r dieses Problem einen neuen Ansatz. In einer der j¨¹ngsten Ausgaben von ?Cell Reports? stellen sie vor, wie ein solcher integrierender Regelkreis in einer Zelle funktionieren kann, damit von einem Molek¨¹l trotz starkem Rauschen bestimmte, genau regulierte Mengen hergestellt werden k?nnen. Die Forscher nennen ihre Regulation ?antithetische integrierende Feedback-Regelung? (antithetic integrated feedback control, AIFC).

Die AIFC besteht aus zwei Netzwerken: einem Netzwerk, das reguliert werden soll, und einem weiteren Netzwerk, welches als Kontrolleinheit funktioniert und das erste reguliert. Die Verkn¨¹pfung der beiden Netzwerke erlaubt die angestrebte perfekte Adaptation.

?Wir haben den Regelkreis so ausgelegt, dass damit drei wichtige Punkte der Mess- und Regelungstechnik in vom Zufall gepr?gten Systemen erf¨¹llt werden: Es muss stabil sein, der Soll-Wert muss einstellbar sein und es muss eine robuste perfekte Adaption erm?glichen?, sagt Khammash. Dieses System muss zudem fehlerlos in einem rauschenden Meer funktionieren.

Rauschen stabilisiert System

Die Forscher haben dazu eine neue Regelungstheorie sowie ein Computermodell f¨¹r die Regelungstechnik auf molekularer Ebene erstellt. Damit widerlegen sie die falsche Annahme, dass Rauschen f¨¹r ein Regelungssystem immer nachteilig ist. Mit ihrer neuen System zeigen sie im Gegenteil sogar auf, dass das Grundrauschen in der Zelle ein Vorteil ist, um die angestrebte perfekte robuste Adaptation zu erreichen. ?Ohne das molekulare Rauschen, beginnt die Systemantwort zu schwanken?, sagt der ETH-Professor. F¨¹ge man das Rauschen wieder hinzu, gleiche sich die Systemantwort dem gew¨¹nschten Soll-Wert perfekt an.

Um ihren theoretischen Ansatz zu untermauern, suchten die Forscher nach einem nat¨¹rlichen AIFC  ¨C und wurden f¨¹ndig. Im Bakterium Escherichia coli gibt es eine Signal- und Proteinproduktionskette, die tats?chlich gem?ss den Theorien der Wissenschaftler aufgebaut ist.

Genkontrolle dank integrierender Regelung

In diesem integrierenden Regelkreis ist der Soll-Wert die durchschnittliche Menge eines Molek¨¹l-Komplexes, der aus einem so genannten Sigma-Faktor (s70) und einer RNA-Polymerase (RNAP) besteht. Der Komplex startet die Transkription, also das Ablesen von Genen zur Herstellung von RNA, der Bauanleitung eines Proteins. Die betreffenden Proteine dieser Signalkette braucht das Bakterium f¨¹r sein Wachstum.

Damit nun die Proteinherstellung nicht ausser Kontrolle ger?t, wird als ?Nebenprodukt? auch ein Protein gebaut, das als Anti-s70 den s70-Faktor fest bindet und aus dem Verkehr zieht. Als Folge davon bilden sich weniger RNAP-s70-Komplexe. Dadurch sinkt die Transkriptionsrate und auch der Anti-s70-Pegel in der Zelle nimmt ab, sodass neu produzierte s70-Molek¨¹le sich wieder zu RNAP-s70-Komplexen verbinden k?nnen. Die Proteinproduktion steigt wieder an.

Die Forscher zeigen mit ihren Berechnungen auf, dass dieses System, das ihr AIFC-Motif enth?lt, auf einen stabilen Wert des Komplexes hinsteuert. Dabei wird die durchschnittliche Konzentration des Komplexes gerade richtig sein, um seinerseits die richtige Anti-s70-Konzentration erzeugen zu k?nnen.

Paradox aufgel?st

Den Berechnungen der Wissenschaftler zufolge liegt die freie Form von s70 in nur sehr geringen Mengen vor. Wie kann dieses ¨¹berhaupt als Regulator agieren, wenn es fast nie vorhanden ist? ?Hier kommt das Rauschen in der Zelle ins Spiel?, sagt Khammash. Die H?ufigkeit eines Regulationsproteins wie s70 schwanke zuf?llig. Dennoch wirke ein statistisches Mass seiner Zuf?lligkeit, etwa die durchschnittliche H?ufigkeit ¨¹ber die Zeit, als sogenannt deterministisches Regulationssignal. ?Um einen integrierenden Regelkreis mithilfe von ?usserst seltenen Molek¨¹len zu realisieren, ist es essenziell, die sich ¨¹ber die Zeit ver?ndernde durchschnittliche Verf¨¹gbarkeit dieser Molek¨¹le zu ber¨¹cksichtigen?, betont der ETH-Professor.

Mit ihrer Studie l?sen Khammash und seine Mitarbeiter ein Paradox. In der Biologie gebe es zahlreiche wundersch?ne Beispiele f¨¹r robuste Hom?ostase und Adaptation. Diese legen nahe, dass es integrierende Regelkreise gebe. Wie die Biologie diese Regelkreise jedoch implementiert habe, sei nicht verstanden, schreibt dazu Caltech-Professor John Doyle in einem Kommentar zur Publikation der ETH-Forscher. Dieses R?tsel sei umso verwirrender, wenn man bedenke, dass die in kleiner Zahl vorliegenden Molek¨¹le eine Garantie f¨¹r starkes Rauschen seien, die Adaptation aber dennoch auftrete. Die Arbeit der Basler Forscher l?se das Paradox auf. Denn wenn Bakterien ihr Verhalten ¨¹ber eine kleine Zahl von Komponenten steuern wollten, dann sei das Rauschen ein grosser Vorteil.

Mit dieser Studie haben Khammash und seine Mitarbeiter ein Fundament gelegt, um k¨¹nftige synthetische Regulationsnetzwerke, die wie integrierende Regelkreise operieren, zu optimieren. Solche Netzwerke k?nnten beispielsweise zur stabilen und robusten Produktion von gew¨¹nschten Mengen medizinischer Wirkstoffe, bestimmter Hormone wie Insulin oder biologisch erzeugter Treibstoffe ausgelegt werden.