Las bacterias interactúan con nuestro cuerpo cada día, con resultados tanto positivos como negativos. Dependemos de los miles de millones de bacterias beneficiosas de nuestro microbioma para favorecer nuestra digestión e inmunidad. Al mismo tiempo, las bacterias patógenas pueden debilitarnos cuando nos exponemos a unas pocas células.
Entender cómo se dividen las bacterias a partir de una célula en dos células hijas es crucial para diseñar formas de ayudar a promover o bloquear la multiplicación de diferentes especies bacterianas. La división celular bacteriana, o citocinesis, implica la segregación de los cromosomas replicados para que cada célula hija obtenga una copia, y el cierre de la envoltura celular entre las dos células hijas.
Fig. 1. (Arriba) Imagen de fluorescencia de superresolución de la proteína divisoma de E. coli, FtsZ, en la mitad de la célula (naranja) dentro de un contorno celular esquemático (gris). Fondo: micrografía electrónica de barrido de células de E. coli. (Abajo) Imágenes de FtsZ en la misma célula de E. coli con microscopía convencional (izquierda) o de superresolución (derecha). Crédito de la imagen: Carla Coltharp.
Muchas décadas de estudio han proporcionado una lista de proteínas esenciales o «muy importantes» (VIPs) necesarias para la citocinesis, y han revelado que estas VIPs se reúnen en un «divisoma» en forma de anillo en el centro de la célula (Fig. 1).
Nuestro reciente artículo aborda una antigua cuestión sobre el funcionamiento del divisoma: ¿qué VIP proporciona la fuerza motriz para impulsar la citocinesis, dictando así su velocidad? Conocer esta fuente de energía nos ayudaría a priorizar las proteínas a las que dirigirnos si queremos alterar la velocidad de la citocinesis en determinadas bacterias.
Para abordar esta cuestión, primero ideamos un método de microscopía de muy alta resolución para obtener imágenes mucho más nítidas del divisoma y de los límites de la célula bacteriana, que aparecen borrosos con los microscopios convencionales porque las bacterias son muy pequeñas (Fig. 1). Estas imágenes de superresolución nos permitieron medir la velocidad de la citocinesis en las células bacterianas con mucha más precisión que antes.
Para averiguar la importancia relativa de cada VIP, creamos diferentes cepas de bacterias con mutaciones que «rompían» cada VIP, de una en una. A continuación, aplicamos nuestros métodos de superresolución para medir la velocidad de citocinesis en cada cepa mutante, para ver qué mutaciones tenían los mayores efectos sobre la velocidad de división.
Primero probamos mutaciones en una proteína llamada FtsZ. FtsZ puede formar largos polímeros y se ha propuesto que es el motor de la citocinesis porque libera continuamente energía química al descomponer una molécula de alta energía llamada GTP, de forma muy parecida a lo que hacen los polímeros de actina y miosina durante la división celular en las células humanas. Para nuestra sorpresa, descubrimos que las mutaciones en FtsZ no cambiaban significativamente la tasa de citocinesis.
Fig. 2. Modelo conceptual de la citocinesis en bacterias. Una célula en división (izquierda) contiene ADN separador (amarillo) y un divisoma en la mitad de la célula (rojo), que constriñe hacia dentro la envoltura celular (marrón). La velocidad y la precisión de la constricción de la envoltura celular están determinadas por los esfuerzos coordinados de proteínas como PBP3, FtsZ y MatP, representadas como participantes en un escenario de conducción (derecha). Crédito de la imagen: Ryan McQuillen y Carla Coltharp.
En cambio, descubrimos que la velocidad de la citocinesis dependía más de una VIP conocida como PBP3 (o proteína de unión a la penicilina 3). PBP3 está implicada en la construcción de la pared celular que recubre las células bacterianas. Cuando se reduce la actividad de PBP3, la citocinesis se ralentiza significativamente, lo que sugiere que la construcción de la pared celular puede impulsar la citocinesis. Este hallazgo revela una diferencia clave entre la división celular en las células bacterianas amuralladas frente a las células animales sin pared.
Además, cuando cortamos un enlace entre las proteínas del divisoma asociadas a la envoltura celular y las proteínas del divisoma asociadas al cromosoma, descubrimos sorprendentemente que la citocinesis procedía más rápidamente. Por lo tanto, este enlace proteico puede funcionar para controlar la citocinesis de manera que la envoltura no se cierre demasiado rápido antes de que las dos copias del cromosoma hayan terminado de separarse.
Juntando nuestros hallazgos con los de muchos otros grupos, llegamos a una nueva imagen de la citocinesis bacteriana (Fig. 2). Si imaginamos la envoltura celular remolcada por un coche en la mitad de la célula, PBP3 y el proceso de construcción de la pared celular serían el motor del coche, FtsZ dirigiría la dirección del coche, y el enlace cromosómico impediría el avance cuando la envoltura corre el peligro de encontrarse con ADN cromosómico no segregado.
Esta nueva imagen, junto con los métodos que hemos desarrollado, abre nuevas vías para explorar los puntos comunes y las diferencias especializadas de los mecanismos de división celular en las distintas especies bacterianas.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Departamento de Biofísica y Química Biofísica
Escuela de Medicina Johns Hopkins
Baltimore, MD, USA