Hogyan osztódnak és szaporodnak a baktériumok? – A tudomány atlasza

A baktériumok nap mint nap kölcsönhatásba lépnek a szervezetünkkel, ami pozitív és negatív következményekkel egyaránt jár. Emésztésünk és immunitásunk támogatásában a mikrobiomunkban található több milliárd hasznos baktériumra támaszkodunk. Ugyanakkor a patogén baktériumok legyengíthetnek minket, ha csak néhány sejtnek vagyunk kitéve.

Az, hogy a baktériumok hogyan osztódnak egy sejtből két leánysejtre, döntő fontosságú a különböző baktériumfajok szaporodását elősegítő vagy megakadályozó módszerek megtervezéséhez. A bakteriális sejtosztódás, vagyis a citokinézis során a replikált kromoszómák szegregálódnak úgy, hogy minden leánysejt egy-egy példányt kapjon, és a sejtburkot a két leánysejt közé szorítják.

1. ábra. (Felső) Szuperfelbontású fluoreszcencia-kép az E. coli diviszómafehérjéről, az FtsZ-ről a sejt közepén (narancssárga) egy sematikus sejtvázlaton belül (szürke). Háttér: E. coli sejtek pásztázó elektronmikroszkópos felvétele. (Alul) Ugyanabban az E. coli sejtben hagyományos (balra) vagy szuperfelbontású (jobbra) mikroszkópiával leképezett FtsZ. A kép forrása: Carla Coltharp.

A több évtizedes tanulmányok egy listát adtak a citokinézishez szükséges esszenciális vagy “nagyon fontos” fehérjékről (VIP), és kimutatták, hogy ezek a VIP-ek a sejt közepén egy gyűrűszerű “diviszómába” gyűlnek össze (1. ábra).

A mostani cikkünkben a diviszóma működésével kapcsolatos egyik régóta fennálló kérdéssel foglalkoztunk: melyik VIP biztosítja a citokinézist előrevivő erőt, így diktálva annak sebességét? Ennek az erőforrásnak a megismerése segítene abban, hogy mely fehérjéket célozzuk meg, ha meg akarjuk változtatni a citokinézis sebességét bizonyos baktériumokban.

A kérdés megoldásához először egy nagyon nagy felbontású mikroszkópos módszert dolgoztunk ki, hogy sokkal élesebb képeket kapjunk a diviszómáról és a bakteriális sejthatárokról, amelyek a hagyományos mikroszkópokkal homályosnak tűnnek, mert a baktériumok olyan kicsik (1. ábra). Ezek a szuperfelbontású képek lehetővé tették számunkra, hogy sokkal pontosabban mérjük a citokinézis sebességét a baktériumsejtekben, mint korábban tudtuk.

Az egyes VIP-ek relatív fontosságának feltárásához különböző baktériumtörzseket hoztunk létre olyan mutációkkal, amelyek egyenként “megtörték” az egyes VIP-eket. Ezután szuperrezolúciós módszereinket alkalmaztuk a citokinézis sebességének mérésére az egyes mutáns törzsekben, hogy megnézzük, mely mutációknak van a legnagyobb hatása az osztódás sebességére.

Először az FtsZ nevű fehérje mutációit vizsgáltuk. Az FtsZ hosszú polimereket képes alkotni, és azt javasolták, hogy a citokinézist mozgató erőgép legyen, mivel folyamatosan kémiai energiát szabadít fel a GTP nevű nagy energiájú molekula lebontásával, hasonlóan ahhoz, ahogyan az emberi sejtekben az aktin és a miozin polimerek teszik ezt a sejtosztódás során. Meglepetésünkre azt találtuk, hogy az FtsZ mutációi nem változtatják meg jelentősen a citokinézis sebességét.

2. ábra. A citokinézis fogalmi modellje baktériumokban. Az osztódó sejt (balra) szétváló DNS-t (sárga) és egy sejtközépi diviszómát (piros) tartalmaz, amely befelé összehúzza a sejtburkot (barna). A sejtburkolat összehúzódásának sebességét és pontosságát az olyan fehérjék, mint a PBP3, az FtsZ és a MatP összehangolt erőfeszítései határozzák meg, amelyek egy hajtó forgatókönyv résztvevőiként vannak ábrázolva (jobbra). A kép forrása: Ryan McQuillen és Carla Coltharp.

Ezzel szemben azt találtuk, hogy a citokinézis sebessége leginkább a PBP3 (vagy penicillinkötő fehérje 3) néven ismert VIP-től függ. A PBP3 részt vesz a baktériumsejteket burkoló sejtfal felépítésében. Amikor csökkentettük a PBP3 aktivitását, a citokinézis jelentősen lelassult, ami arra utal, hogy a sejtfal építése mozgathatja a citokinézist. Ez a felfedezés kulcsfontosságú különbséget mutat a sejtfalas baktériumsejtek és a fal nélküli állati sejtek sejtosztódása között.

Azt is felfedeztük továbbá, hogy amikor a sejtburkolat-asszociált diviszómafehérjék és a kromoszóma-asszociált diviszómafehérjék közötti kapcsolatot megszakítottuk, meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy a citokinézis gyorsabban zajlott. Ez a fehérjekapcsolat tehát a citokinézis ellenőrzésére szolgálhat, hogy a burok ne záruljon be túl gyorsan, mielőtt a két kromoszóma-kópia befejezte volna a szétválást.

Elmondásainkat számos más csoport eredményeivel összevetve a bakteriális citokinézis új képéhez jutottunk (2. ábra). Ha elképzeljük, hogy a sejtburkot egy autó vontatja a sejt közepén, a PBP3 és a sejtfalépítés folyamata lenne az autó motorja, az FtsZ kormányozná az autó irányát, és a kromoszómakötés akadályozná az előrehaladást, amikor a sejtburkot az a veszély fenyegeti, hogy nem szétválasztott kromoszómális DNS-be ütközik.

Ez az új kép az általunk kifejlesztett módszerekkel együtt új utakat nyit a különböző baktériumfajok sejtosztódási mechanizmusainak közösségeinek és speciális különbségeinek feltárására.

Carla Coltharp, Jie Xiao
Department of Biophysics and Biophysical Chemistry
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA

Nyitottunk új utakat.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.