Bakterie každý den interagují s naším tělem, což vede k pozitivním i negativním důsledkům. Spoléháme na miliardy prospěšných bakterií v našem mikrobiomu, které podporují naše trávení a imunitu. Zároveň nás mohou patogenní bakterie oslabit, pokud jsme vystaveni působení pouhých několika buněk.
Pochopení toho, jak se bakterie dělí z jedné buňky na dvě dceřiné, je klíčové pro navržení způsobů, které pomohou podpořit nebo zablokovat množení různých bakteriálních druhů. Bakteriální buněčné dělení neboli cytokineze zahrnuje segregaci replikovaných chromozomů tak, aby každá dceřiná buňka získala jednu kopii, a sevření buněčného obalu mezi oběma dceřinými buňkami.
Obr. 1. Bakteriální dělení z jedné buňky na druhou. (Nahoře) Fluorescenční obraz se superrozlišením divizomového proteinu E. coli, FtsZ, ve středu buňky (oranžová) v rámci schematického obrysu buňky (šedá). Pozadí: skenovací elektronová mikrofotografie buněk E. coli. (Dole) FtsZ zobrazený ve stejné buňce E. coli pomocí konvenční (vlevo) nebo superrozlišovací (vpravo) mikroskopie. Image credit: Carla Coltharp.
Mnoho desetiletí studií poskytlo seznam základních nebo „velmi důležitých“ proteinů (VIP) potřebných pro cytokinezi a odhalilo, že tyto VIP se shromažďují do prstence podobného „divizomu“ uprostřed buňky (obr. 1).
Náš nedávný článek se zabýval jednou dlouholetou otázkou ohledně fungování divizomu: který VIP poskytuje hnací sílu, která pohání cytokinezi, a tím určuje její rychlost? Znalost tohoto zdroje energie by nám pomohla určit priority, na které proteiny se zaměřit, pokud chceme změnit rychlost cytokineze u některých bakterií.
Pro řešení této otázky jsme nejprve navrhli metodu mikroskopie s velmi vysokým rozlišením, abychom získali mnohem ostřejší snímky divizomu a hranic bakteriálních buněk, které se při použití běžných mikroskopů jeví jako rozmazané, protože bakterie jsou velmi malé (obr. 1). Tyto snímky se superrozlišením nám umožnily měřit rychlost cytokineze v bakteriálních buňkách mnohem přesněji než dříve.
Abychom zjistili relativní význam jednotlivých VIP, vytvořili jsme různé kmeny bakterií s mutacemi, které „rozbily“ jednotlivé VIP, jednu po druhé. Poté jsme použili naše metody superrozlišení k měření rychlosti cytokineze u každého mutantního kmene, abychom zjistili, které mutace mají největší vliv na rychlost dělení.
Nejprve jsme testovali mutace proteinu zvaného FtsZ. FtsZ dokáže vytvářet dlouhé polymery a byl navržen jako hnací motor pohánějící cytokinezi, protože neustále uvolňuje chemickou energii odbouráváním vysoce energetické molekuly zvané GTP, podobně jako to dělají polymery aktinu a myozinu během buněčného dělení v lidských buňkách. K našemu překvapení jsme zjistili, že mutace FtsZ nezměnily významně rychlost cytokineze.
Obr. 2. FtsZ v průběhu cytokineze. Konceptuální model cytokineze u bakterií. Dělící se buňka (vlevo) obsahuje oddělující se DNA (žlutá) a středobuněčný divizom (červená), který dovnitř zužuje buněčný obal (hnědá). Rychlost a přesnost zúžení buněčného obalu je určena koordinovaným úsilím proteinů, jako jsou PBP3, FtsZ a MatP, které jsou znázorněny jako účastníci hnacího scénáře (vpravo). Image credit: Ryan McQuillen and Carla Coltharp.
Naopak jsme zjistili, že rychlost cytokineze nejvíce závisí na jednom VIP známém jako PBP3 (neboli protein vázající penicilin 3). PBP3 se podílí na stavbě buněčné stěny, která obaluje bakteriální buňky. Když jsme narušili aktivitu PBP3, cytokineze se výrazně zpomalila, což naznačuje, že stavba buněčné stěny může být hnací silou cytokineze. Toto zjištění odhaluje klíčový rozdíl mezi buněčným dělením u bakteriálních buněk se stěnou oproti živočišným buňkám bez stěny.
Když jsme navíc přerušili vazbu mezi proteiny divizomu asociovanými s buněčným obalem a proteiny divizomu asociovanými s chromozomy, překvapivě jsme zjistili, že cytokineze probíhá rychleji. Tato proteinová vazba tedy může fungovat jako kontrola cytokineze, aby se obal neuzavřel příliš rychle předtím, než se obě kopie chromozomu dokončí oddělit.
Spojením našich zjištění s poznatky mnoha dalších skupin jsme dospěli k novému obrazu bakteriální cytokineze (obr. 2). Pokud si představíme, že buněčný obal je v polovině buňky tažen autem, PBP3 a proces výstavby buněčné stěny by byly motorem auta, FtsZ by řídil směr jízdy a chromozomová vazba by bránila postupu vpřed, když by hrozilo, že obal narazí na nesegregovanou chromozomální DNA.
Tento nový obraz spolu s metodami, které jsme vyvinuli, otevírá nové možnosti zkoumání společných rysů a specializovaných rozdílů mechanismů buněčného dělení u různých bakteriálních druhů.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Oddělení biofyziky a biofyzikální chemie
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA
.