As bactérias interagem diariamente com o nosso corpo, resultando em resultados positivos e negativos. Contamos com os bilhões de bactérias benéficas em nosso microbioma para apoiar a nossa digestão e imunidade. Ao mesmo tempo, bactérias patogênicas podem nos debilitar quando estamos expostos a apenas algumas células.
Compreender como as bactérias se dividem de uma célula em duas células filhas é crucial para projetar maneiras de ajudar a promover ou bloquear a multiplicação de diferentes espécies bacterianas. A divisão das células bacterianas, ou citocinese, envolve a segregação dos cromossomas replicados para que cada célula filha obtenha uma cópia, e beliscar o envelope celular fechado entre as duas células filhas.
Fig. 1. (Topo) Super-resolução da imagem fluorescente da proteína divisome E. coli, FtsZ, em midcell (laranja) dentro de um esquema de contorno celular (cinza). Fundo: micrografia eletrônica de varredura de células de E. coli. (Fundo) FtsZ imitado na mesma célula de E. coli com microscopia convencional (esquerda) ou super-resolução (direita). Crédito da imagem: Carla Coltharp.
Muitas décadas de estudo forneceram uma lista de proteínas essenciais ou ‘muito importantes’ (VIPs) necessárias para a citocinese, e revelaram que estes VIPs se reúnem em um ‘divisoma’ em forma de anel no meio da célula (Fig. 1).
Nosso recente trabalho abordou uma questão de longa data sobre como o divisoma funciona: qual VIP fornece a força motriz para impulsionar a citocinese, ditando assim sua velocidade? Conhecendo esta fonte de energia nos ajudaria a priorizar quais proteínas devem ser visadas se quisermos alterar a velocidade da citocinese em certas bactérias.
Para responder a esta pergunta, nós primeiramente desenvolvemos um método de microscopia de altíssima resolução para obter imagens muito mais nítidas dos limites do divisoma e das células bacterianas, que parecem difusas com microscópios convencionais porque as bactérias são tão pequenas (Fig. 1). Estas imagens de super-resolução nos permitiram medir a velocidade da citocinese em células bacterianas muito mais precisamente do que podíamos antes.
Para provocar a importância relativa de cada VIP, criamos diferentes cepas de bactérias com mutações que ‘quebraram’ cada VIP, uma de cada vez. Aplicamos então nossos métodos de super-resolução para medir a taxa de citocinese em cada cepa mutante, para ver quais mutações tiveram os maiores efeitos na velocidade de divisão.
Testamos primeiro as mutações para uma proteína chamada FtsZ. FtsZ pode formar polímeros longos e tem sido proposto para ser o motor de potência que impulsiona a citocinese, pois libera continuamente energia química ao quebrar uma molécula de alta energia chamada GTP, muito parecida com os polímeros de actina e miosina fazem durante a divisão celular em células humanas. Para nossa surpresa, descobrimos que as mutações para FtsZ não alteraram significativamente a taxa de citocinese.
Fig. 2. Modelo conceptual de citocinese em bactérias. Uma célula divisora (esquerda) contém DNA separador (amarelo) e um divisoma de célula média (vermelho), que constringe interiormente o envelope celular (castanho). A velocidade e precisão da constrição do envelope celular é determinada pelos esforços coordenados de proteínas como PBP3, FtsZ e MatP, retratadas como participantes num cenário de condução (direita). Crédito da imagem: Ryan McQuillen e Carla Coltharp.
Em contraste, descobrimos que a taxa de citocinese dependia mais de um VIP conhecido como PBP3 (ou penicilina binding protein 3). PBP3 está envolvida na construção da parede celular que encerra as células bacterianas. Quando prejudicamos a atividade da PBP3, a citocinese diminuiu significativamente, sugerindo que a construção da parede celular pode impulsionar a citocinese. Este achado revela uma diferença chave entre a divisão celular em células bacterianas muradas versus células animais sem parede.
Outras vezes, quando cortamos uma ligação entre as proteínas de divisão associadas ao envelope celular e as proteínas de divisão associadas ao cromossoma, descobrimos surpreendentemente que a citocinese prosseguiu mais rapidamente. Esta ligação proteica pode assim funcionar para verificar a citocinese para que o envelope não se feche demasiado depressa antes das duas cópias cromossómicas terem terminado de se separar.
Juntando as nossas descobertas com as de muitos outros grupos, chegamos a um novo quadro de citocinese bacteriana (Fig. 2). Se imaginarmos o envelope celular sendo rebocado por um carro em midcell, PBP3 e o processo de construção da parede celular seria o motor do carro, FtsZ dirigiria o carro, e a ligação cromossômica impediria o progresso quando o envelope estivesse em perigo de esbarrar no DNA cromossômico não segregado.
Esta nova imagem, juntamente com os métodos que desenvolvemos, abre novos caminhos para explorar as semelhanças e diferenças especializadas dos mecanismos de divisão celular entre diferentes espécies bacterianas.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Departamento de Biofísica e Química Biofísica
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA