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

Abstract

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.