Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время значительный интерес в микробиологии и биотехнологии представляет исследование плазмид-содержащих штаммов микроорганизмов с точки зрения сохранения их свойств при длительном культивировании В многочисленных экспериментальных исследованиях было показано, что нестабильность плазм ид-содержащих штаммов резко возрастает при низких скоростях роста в хемостате Одной из причин этого феномена может быть возрастание эффективности экспрессии плазмидных генов при снижении скорости роста за счет снятия катаболитной репрессии промоторов клонированных генов при лимитировании роста источниками углерода и энергии Однако, существует целый ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о возрастании селективного коэффициента даже при постоянной экспрессии Поэтому, изучение внутриклеточных механизмов приводящих к такого рода динамике, является необходимым и весьма актуальным для поиска путей повышения стабильности генно-инженерных плазмидсодержащих штаммов
В случае патогенных бактерии до сих пор единственным методом снижения резистентности является поиск новых форм антибактериальных препаратов, к которым еще не существует соответствующих резистив-ных плазмид Однако, этот подходы к проблеме плазмид-об> словленной резистентности не решает проблему ее снижения (или элиминации) у соответствующих штаммов микроорганизмов Поэтому, представляется актуальным изучение механизмов популяционной и внутриклеточной динамики плазмид с целью прогнозирования путей повышения антибиоти-кочувствительности популяции патогенных бактерии
Целью работы является разработка стохастической модели популяционной динамики неконъюгативных бактериальных плазмид с учетом особенностей клеточного цикла бактерий для оценки стоимости плазмид при изменении селективных условий
Методы исследования В работе использовалось математическое
моделирование на основе вероятностных подходов к описанию конкурирующих систем Построены математические модели клеточного цикла на основе методов комбинаторного анализа, обыкновенных дифференциальных уравнений и теории вероятностей Для исследования популяци-онной динамики плазмид использовалась аппроксимация одношаговым процессом с последующим выводом уравнения Фоккера-Планка Для решения этого уравнения вблизи стационарного состояния был применен подход Бюргесса Основные результаты расчетов были сравнены с соответствующими экспериментальными данными
Научная новизна.
Предложен вероятностный подход, который впервые связывает метаболическую нагрузку плазмид с определенным клеточным механизмом - динамикой белка, инициирующего репликацию хромосомы Данный подход позволяет исследовать влияние числа плазмидных белок -кодирующих генов и эффективности их экспрессии на продолжительность клеточного цикла плазмидсодержащих клеток
Модель впервые позволила объяснить эффект возрастания селективного преимущества бесплазмидных клеток в случае низких скоростей роста при неизменной эффективности экспрессии плазмидных генов
Построенная модель динамики плазмид в популяции впервые позволила связать макроскопически наблюдаемый эффект стабильности плазмид с внутриклеточными причинами метаболической нагрузки этих молекул Показано, что время элиминации плазмид из популяции зависит от отношения числа молекул-ингибиторов и молекул-инициаторов репликации плазмид
Положения, выносимые на защиту.
1. Возрастание селективного преимущества бесплазмидных штаммов при низких скоростях роста бактерий в хемостате (возрастание популя-ционной стоимости плазмид) является следствием наличия в этом случае дополнительного (предрепликативного) периода клеточного цикла бактерий
2. При кратковременном изменении уровня селективного фактора, система, описывающая поведение плазмидсодержащей популяции бактерий, возвращается к изначальному состоянию в виде процесса Орнштей-на - Уленбека Время релаксации к стационарному состоянию пропорциональна отношению числа молекул-ингибиторов и молекул-инициаторов репликации плазмид Изменение инициирующего уровня DnaA в клетках плазмидсодержащих бактерий влияет на скорость релаксации возмущенной системы Увеличенная концентрация молекул-ингибиторов инициации репликации плазмид увеличивает скорость элиминации плазмид из бактериальной популяции
Практическая ценность. Результаты исследования, касающиеся увеличения селективного преимущества бесплазмидных клеток могут быть использованы при культивировании рекомбинантных штаммов микроорганизмов с целью отбора или создания стабильных вариантов Данные исследования динамики плазмид при кратковременном изменении селективного фактора могут быть востребованы в медицине при поиске новых методов терапии инфекционных заболевании, вызванных резистентными штаммами микроорганизмов
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 XXXV Научной конференции студентов, аспиралюв и молодых ученых-физиков (Красноярск, 2006),
XIII Международном симпозиуме «Сложные системы в экстремальных условиях» (Красноярск, 2006),
I Международной конференции «Математическая биология и биоинформатика» (Пущино, 2006),
на конференциях молодых ученых в институте биофизики СО РАН
Публикации По результатам работы опубликовано 8 работ Из них 3 статьи в центральных журналах, 5 тезисов докладов на конференциях
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения 4 глав, включающих заключение с выводами и списка литературы Работа
