Bakteerit ovat päivittäin vuorovaikutuksessa kehomme kanssa, mikä johtaa sekä myönteisiin että kielteisiin seurauksiin. Luotamme mikrobiomissamme oleviin miljardeihin hyödyllisiin bakteereihin, jotka tukevat ruoansulatustamme ja vastustuskykyämme. Samaan aikaan patogeeniset bakteerit voivat heikentää meitä, kun altistumme vain muutamalle solulle.
Ymmärrys siitä, miten bakteerit jakautuvat yhdestä solusta kahdeksi tytärsoluksi, on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan suunnitella keinoja, joilla voidaan edistää tai estää eri bakteerilajien lisääntymistä. Bakteerien solunjakautumisessa eli sytokinesiksessä monistuneet kromosomit segregoituvat siten, että kukin tyttärisolu saa yhden kopion, ja solukuorta puristetaan kiinni kahden tyttärisolun välillä.
Kuva 1. (Ylhäällä) Superresoluutiofluoresenssikuva E. colin divisomiproteiinista, FtsZ:stä, solun puolivälissä (oranssi) solun kaavamaisen ääriviivan sisällä (harmaa). Tausta: pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva E. coli -soluista. (Alhaalla) FtsZ kuvattuna samassa E. coli -solussa tavanomaisella (vasemmalla) tai superresoluutiomikroskopialla (oikealla). Kuvan luotto: Carla Coltharp.
Monien vuosikymmenten tutkimukset ovat tuottaneet luettelon välttämättömistä tai ”erittäin tärkeistä” proteiineista (VIP), joita tarvitaan sytokinesiksessä, ja paljastaneet, että nämä VIP:t kerääntyvät rengasmaiseksi ”divisomiksi” solun keskelle (kuva 1).
Tuoreessa tutkimuksessamme käsiteltiin erästä pitkään esillä olleista kysymyksistä, jotka koskivat sitä, miten divisomi toimii: mitkä VIP:t tuottavat liikkeellepanevan voiman, joka kuljettaa sytokinesistä eteenpäin, ja näin ollen sanelevat sen nopeuden? Tämän voimanlähteen tunteminen auttaisi meitä priorisoimaan, mihin proteiineihin kannattaa kohdistaa, jos haluamme muuttaa sytokinesiksen nopeutta tietyissä bakteereissa.
Kysymyksen ratkaisemiseksi kehitimme ensin erittäin korkearesoluutioisen mikroskopointimenetelmän, jolla saamme paljon terävämpiä kuvia divisomista ja bakteerisolujen rajoista, jotka tavanomaisilla mikroskoopeilla näkyvät epäselvinä, koska bakteerit ovat niin pieniä (kuva 1). Näiden superresoluutiokuvien avulla pystyimme mittaamaan sytokineesin nopeutta bakteerisoluissa paljon tarkemmin kuin aiemmin.
Kunkin VIP:n suhteellisen merkityksen selvittämiseksi loimme erilaisia bakteerikantoja, joissa oli mutaatioita, jotka ”rikkoivat” jokaisen VIP:n, yhden kerrallaan. Sovelsimme sitten superresoluutiomenetelmiämme mitataksemme sytokineesin nopeutta kussakin mutanttikannassa nähdaksemme, mitkä mutaatiot vaikuttivat eniten jakautumisnopeuteen.
Testasimme ensin mutaatioita FtsZ-nimiseen proteiiniin. FtsZ voi muodostaa pitkiä polymeerejä, ja sen on ehdotettu olevan sytokinesistä ajava voimanlähde, koska se vapauttaa jatkuvasti kemiallista energiaa hajottamalla GTP-nimistä korkean energian molekyyliä, aivan kuten aktiini- ja myosiinipolymeerit tekevät solunjakautumisen aikana ihmissoluissa. Yllätykseksemme havaitsimme, että FtsZ:n mutaatiot eivät merkittävästi muuttaneet sytokineesin nopeutta.
Kuva 2. Käsitteellinen malli sytokinesiksestä bakteereissa. Jakautuvassa solussa (vasemmalla) on erottuvaa DNA:ta (keltainen) ja solun keskellä oleva divisomi (punainen), joka supistaa solukuorta sisäänpäin (ruskea). Solukalvon supistumisen nopeus ja tarkkuus määräytyvät PBP3:n, FtsZ:n ja MatP:n kaltaisten proteiinien koordinoitujen ponnistelujen perusteella, jotka on kuvattu osallistujina ajoskenaariossa (oikealla). Kuvan luotto: Ryan McQuillen ja Carla Coltharp.
Havaitsimme sen sijaan, että sytokinesiksen nopeus riippui eniten yhdestä VIP:stä, joka tunnetaan nimellä PBP3 (tai penisilliiniä sitova proteiini 3). PBP3 osallistuu bakteerisoluja ympäröivän soluseinän rakentamiseen. Kun heikensimme PBP3:n toimintaa, sytokinesis hidastui merkittävästi, mikä viittaa siihen, että soluseinän rakentaminen saattaa ohjata sytokinesistä. Tämä havainto paljastaa keskeisen eron solunjakautumisen välillä bakteerisoluissa, joilla on bakteeriseinä, ja eläinsoluissa, joilla ei ole seinämää.
Seuraavaksi havaitsimme yllättäen, että sytokinesis eteni nopeammin, kun katkaisimme solukuoreen assosioituneiden divisomiproteiinien ja kromosomiin assosioituneiden divisomiproteiinien välisen yhteyden. Tämä proteiinisidos saattaa siis toimia sytokinesistä kontrolloivana tekijänä, jotta kuori ei sulkeudu liian nopeasti ennen kuin kaksi kromosomikopiota on ehtinyt erottua toisistaan.
Yhdistämällä havaintomme monien muiden ryhmien havaintoihin saamme uuden kuvan bakteerien sytokinesiksestä (kuva 2). Jos kuvittelemme, että solukuorta hinaa auto solun puolivälissä, PBP3 ja soluseinän rakentumisprosessi olisivat auton moottori, FtsZ ohjaisi auton suuntaa, ja kromosomilinkitys estäisi etenemistä, kun solukuori on vaarassa törmätä erottamattomaan kromosomaaliseen DNA:han.
Tämä uusi kuva yhdessä kehittämiemme menetelmien kanssa avaa uusia mahdollisuuksia tutkia solunjakautumismekanismien yhtäläisyyksiä ja erikoistuneita eroja eri bakteerilajeissa.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Biofysiikan ja biofysikaalisen kemian osasto
Johns Hopkinsin lääketieteellinen tiedekunta
Baltimore, MD, Yhdysvallat