Bakterier interagerer med vores kroppe hver dag, hvilket resulterer i både positive og negative resultater. Vi er afhængige af de milliarder af gavnlige bakterier i vores mikrobiom for at støtte vores fordøjelse og immunitet. Samtidig kan sygdomsfremkaldende bakterier svække os, når vi udsættes for blot nogle få celler.
Forståelse af, hvordan bakterier deler sig fra én celle til to datterceller, er afgørende for at designe måder at hjælpe med at fremme eller blokere formering af forskellige bakteriearter på. Bakteriel celledeling, eller cytokinese, indebærer adskillelse af de replikerede kromosomer, så hver dattercelle får én kopi, og at cellehylsteret klemmes sammen mellem de to datterceller.
Figur 1. (Øverst) Superopløsningsfluorescensbillede af E. coli divisom-protein, FtsZ, ved midten af cellen (orange) inden for en skematisk celleomrids (grå). Baggrund: Scanningselektronmikroskopisk billede af E. coli-celler. (Nederst) FtsZ afbildet i den samme E. coli-celle med konventionel (venstre) eller superopløsningsmikroskopi (højre). Billedkredit: Carla Coltharp.
Mange årtiers studier har givet en liste over essentielle eller “meget vigtige” proteiner (VIP’er), der er nødvendige for cytokinese, og afsløret, at disse VIP’er samles i et ringlignende “divisom” i midten af cellen (Fig. 1).
Vores seneste artikel behandlede et længe stillet spørgsmål om, hvordan divisomet fungerer: Hvilket VIP leverer den drivende kraft til at drive cytokinese fremad og dikterer dermed dens hastighed? At kende denne kraftkilde ville hjælpe os med at prioritere, hvilke proteiner vi skal målrette mod, hvis vi ønsker at ændre cytokinesens hastighed i visse bakterier.
For at løse dette spørgsmål udtænkte vi først en meget højopløsningsmikroskopimetode for at få meget skarpere billeder af divisomet og bakterielle cellegrænser, som forekommer uskarpe med konventionelle mikroskoper, fordi bakterier er så små (Fig. 1). Disse superopløsningsbilleder gjorde det muligt for os at måle hastigheden af cytokinesen i bakterieceller meget mere præcist, end vi kunne før.
For at finde ud af den relative betydning af hver VIP skabte vi forskellige bakteriestammer med mutationer, der “brød” hver VIP, én ad gangen. Derefter anvendte vi vores superopløsningsmetoder til at måle cytokinesehastigheden i hver mutantstamme for at se, hvilke mutationer der havde den største effekt på delingshastigheden.
Vi testede først mutationer i et protein kaldet FtsZ. FtsZ kan danne lange polymerer og er blevet foreslået at være den kraftmaskine, der driver cytokinese, fordi det kontinuerligt frigiver kemisk energi ved at nedbryde et højenergimolekyle kaldet GTP, ligesom polymererne af actin og myosin gør det under celledeling i menneskelige celler. Til vores overraskelse fandt vi, at mutationer til FtsZ ikke ændrede cytokinesehastigheden signifikant.
Figur 2. Konceptuel model for cytokinese i bakterier. En delingscelle (til venstre) indeholder separerende DNA (gul) og et divisom i midten af cellen (rødt), som indadtil indsnævrer cellehylstret (brunt). Hastigheden og præcisionen af indsnævringen af cellekuvertet bestemmes af den koordinerede indsats af proteiner som PBP3, FtsZ og MatP, der er afbildet som deltagere i et kørselsscenarie (til højre). Image credit: Ryan McQuillen and Carla Coltharp.
I modsætning hertil fandt vi, at hastigheden af cytokinese afhænger mest af et VIP kendt som PBP3 (eller penicillinbindende protein 3). PBP3 er involveret i opbygningen af den cellevæg, der omslutter bakteriecellerne. Når vi svækkede PBP3’s aktivitet, blev cytokinese betydeligt langsommere, hvilket tyder på, at opbygningen af cellevæggen kan drive cytokinese. Dette fund afslører en vigtig forskel mellem celledelingen i bakterieceller med vægge i forhold til vægløse dyreceller.
Dertil kommer, at da vi afbrød en forbindelse mellem cellehinde-associerede divisom-proteiner og kromosom-associerede divisom-proteiner, opdagede vi overraskende nok, at cytokinese foregik hurtigere. Denne proteinforbindelse kan således fungere til at kontrollere cytokinese, således at hulen ikke lukker sig for hurtigt, før de to kromosomkopier er færdige med at adskille sig.
Samler vi vores resultater med dem fra mange andre grupper, når vi frem til et nyt billede af bakteriel cytokinese (fig. 2). Hvis vi forestiller os, at cellekuvertet bliver trukket af en bil i midten af cellen, ville PBP3 og processen med opbygning af cellevæggen være bilens motor, FtsZ ville styre bilens retning, og kromosomforbindelsen ville hindre fremadrettet fremgang, når kuvertet er i fare for at løbe ind i usegregeret kromosomalt DNA.
Dette nye billede åbner sammen med de metoder, vi har udviklet, nye veje til at udforske de fælles træk og specialiserede forskelle i celledelingsmekanismer på tværs af forskellige bakteriearter.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Department of Biophysics and Biophysical Chemistry
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA