Desempenho e custo da quimiotaxia através da modificação covalente sequencial versus não-sequencial

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Beserra, Anderson Basílio
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: https://repositorio.unb.br/handle/10482/38677
Resumo: Muitas proteínas reguladoras importantes têm vários sítios de modificação. Na quimiotaxia bacteriana, cada quimiorreceptor possui vários sítios de metilação e a metilação/ desmetilação desses sítios permitem que as células se adaptem a uma amplo fundo de concentração de ligante. No entanto, não está claro como e se a ordem de metilação/ desmetilação, em diferentes sítios de metilação, afeta a adaptação. Aqui, mostramos que a adaptação perfeita ocorre apenas com a metilação/desmetilação estritamente sequencial e a precisão da adaptação diminui à medida que o número de metilação não-sequencial (aleatória) aumenta. Um compromisso (trade-off) entre precisão de adaptação e ganho de sinal é encontrado. Para o esquema de metilação não-sequencial, esse compromisso é insensível ao número de sítios de metilação e, portanto, leva a um menor ganho de sinal ou a uma baixa precisão de adaptação. Para o esquema de metilação sequencial, no entanto, esse compromisso é favorecido significativamente com um aumento no número de sítios de metilação. Nosso estudo mostra que a modificação covalente sequencial representa um mecanismo geral para alcançar uma adaptação precisa sem comprometer o ganho de resposta. Também estudamos o efeito termodinâmico dos diferentes esquemas de modificação. Descobrimos que a modificação sequencial é impulsionada por uma dissipação de energia modestamente mais alta e resulta em um tempo de adaptação mais longo. Comparações dos resultados do nosso modelo com experimentos tanto in vitro quanto in vivo mostram consistentemente que o processo de metilação na E. coli é quase sequencial com um componente aleatório pequeno, mas finito. São feitas previsões para testes adicionais do modelo e elucidações de possíveis mecanismos moleculares para modificação covalente sequencial em quimiorreceptores.
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Para o esquema de metilação não-sequencial, esse compromisso é insensível ao número de sítios de metilação e, portanto, leva a um menor ganho de sinal ou a uma baixa precisão de adaptação. Para o esquema de metilação sequencial, no entanto, esse compromisso é favorecido significativamente com um aumento no número de sítios de metilação. Nosso estudo mostra que a modificação covalente sequencial representa um mecanismo geral para alcançar uma adaptação precisa sem comprometer o ganho de resposta. Também estudamos o efeito termodinâmico dos diferentes esquemas de modificação. Descobrimos que a modificação sequencial é impulsionada por uma dissipação de energia modestamente mais alta e resulta em um tempo de adaptação mais longo. Comparações dos resultados do nosso modelo com experimentos tanto in vitro quanto in vivo mostram consistentemente que o processo de metilação na E. coli é quase sequencial com um componente aleatório pequeno, mas finito. São feitas previsões para testes adicionais do modelo e elucidações de possíveis mecanismos moleculares para modificação covalente sequencial em quimiorreceptores.Many important regulatory proteins have multiple modification sites. In bacterial chemotaxis, each chemoreceptor has multiple methylation sites and methylation / demethylation of these sites enable the cells to adapt to a broad ligand concentration background. However, it is not clear whether and how the ordering of methylation / demethylation among different methylation sites affects adaptation. In this work, we show that perfect adaptation only occurs with strictly sequential methylation/ demethylation and adaptation accuracy decreases as the degree of nonsequential (random) methylation increases. A trade-off between adaptation accuracy and signal gain is found. For the nonsequential methylation scheme, this compromise is insensitive to the number of methylation sites and thus leads to either a diminished signal gain or a low adaptation accuracy. For the sequential methylation scheme, however, this compromise is significantly favored with an increase in the number of methylation sites. Our study shows that sequential covalent modification represents a general mechanism to achieve accurate adaptation without compromising the response gain. We also study the thermodynamic effect of different modification schemes. We find that sequential modification is driven by a modestly higher energy dissipation and results in a longer adaptation time. Comparisons of our model results with both in vitro and in vivo experiments consistently show that the methylation process in E. coli is almost sequential with a small but finite random component. Predictions are made for further model testing and elucidation of possible molecular mechanisms for sequential covalent modification in chemoreceptors.Instituto de Física (IF)Programa de Pós-Graduação em FísicaMello, Bernardo de AssunçãoBeserra, Anderson Basílio2020-07-01T19:46:43Z2020-07-01T19:46:43Z2020-07-012020-02-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBESERRA, Anderson Basílio. Desempenho e custo da quimiotaxia através da modificação covalente sequencial versus não-sequencial.2019. 142 f., il. Tese (Doutorado em Física)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.https://repositorio.unb.br/handle/10482/38677A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-02-20T16:58:44Zoai:repositorio.unb.br:10482/38677Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-02-20T16:58:44Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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