I batteri interagiscono con il nostro corpo ogni giorno, con risultati sia positivi che negativi. Ci affidiamo ai miliardi di batteri benefici del nostro microbioma per sostenere la nostra digestione e l’immunità. Allo stesso tempo, i batteri patogeni possono debilitarci quando siamo esposti solo a poche cellule.
Capire come i batteri si dividono da una cellula in due cellule figlie è fondamentale per progettare modi per promuovere o bloccare la moltiplicazione di diverse specie batteriche. La divisione cellulare batterica, o citocinesi, comporta la segregazione dei cromosomi replicati in modo che ogni cellula figlia ne riceva una copia, e la chiusura dell’involucro cellulare tra le due cellule figlie.
Fig. 1. (Sopra) Immagine a fluorescenza di super-risoluzione della proteina del divisoma di E. coli, FtsZ, a metà della cellula (arancione) all’interno di un contorno schematico della cellula (grigio). Sfondo: micrografia elettronica a scansione di cellule di E. coli. (In basso) FtsZ ripreso nella stessa cellula di E. coli con microscopia convenzionale (a sinistra) o super-risoluzione (a destra). Credito immagine: Carla Coltharp.
Molti decenni di studi hanno fornito una lista di proteine essenziali o “molto importanti” (VIP) necessarie per la citochinesi, e hanno rivelato che queste VIP si assemblano in un “divisoma” ad anello al centro della cellula (Fig. 1).
Il nostro recente articolo ha affrontato una domanda di vecchia data su come funziona il divisoma: quale VIP fornisce la forza motrice per spingere la citochinesi, dettandone così la velocità? Conoscere questa fonte di energia ci aiuterebbe a dare la priorità a quali proteine prendere di mira se vogliamo alterare la velocità della citochinesi in certi batteri.
Per affrontare questa domanda, abbiamo prima ideato un metodo di microscopia ad alta risoluzione per ottenere immagini molto più nitide del divisoma e dei confini delle cellule batteriche, che appaiono sfocate con i microscopi convenzionali perché i batteri sono così piccoli (Fig. 1). Queste immagini di super-risoluzione ci hanno permesso di misurare la velocità della citochinesi nelle cellule batteriche molto più precisamente di quanto potessimo fare prima.
Per capire l’importanza relativa di ogni VIP, abbiamo creato diversi ceppi di batteri con mutazioni che hanno ‘rotto’ ogni VIP, uno alla volta. Abbiamo poi applicato i nostri metodi di super-risoluzione per misurare il tasso di citochinesi in ogni ceppo mutante, per vedere quali mutazioni avevano i maggiori effetti sulla velocità di divisione.
Abbiamo prima testato le mutazioni di una proteina chiamata FtsZ. FtsZ può formare lunghi polimeri ed è stato proposto di essere il motore che guida la citochinesi perché rilascia continuamente energia chimica scindendo una molecola ad alta energia chiamata GTP, proprio come fanno i polimeri di actina e miosina durante la divisione cellulare nelle cellule umane. Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che le mutazioni di FtsZ non hanno cambiato significativamente il tasso di citochinesi.
Fig. 2. Modello concettuale della citochinesi nei batteri. Una cellula che si divide (a sinistra) contiene DNA di separazione (giallo) e un divisoma a metà cellula (rosso), che restringe verso l’interno l’involucro cellulare (marrone). La velocità e la precisione della costrizione dell’involucro cellulare è determinata dagli sforzi coordinati di proteine come PBP3, FtsZ e MatP, raffigurate come partecipanti in uno scenario di guida (destra). Image credit: Ryan McQuillen and Carla Coltharp.
Al contrario, abbiamo scoperto che il tasso di citochinesi dipendeva soprattutto da un VIP noto come PBP3 (o proteina 3 che lega la penicillina). PBP3 è coinvolta nella costruzione della parete cellulare che racchiude le cellule batteriche. Quando abbiamo compromesso l’attività di PBP3, la citochinesi è rallentata significativamente, suggerendo che la costruzione della parete cellulare può guidare la citochinesi. Questa scoperta rivela una differenza chiave tra la divisione cellulare nelle cellule batteriche con parete rispetto alle cellule animali senza parete.
Inoltre, quando abbiamo interrotto un legame tra le proteine del divisoma associate all’involucro cellulare e le proteine del divisoma associate al cromosoma, abbiamo sorprendentemente scoperto che la citochinesi procedeva più velocemente. Questo legame proteico può quindi funzionare per controllare la citochinesi in modo che l’involucro non si chiuda troppo velocemente prima che le due copie del cromosoma abbiano finito di separarsi.
Mettendo insieme le nostre scoperte con quelle di molti altri gruppi, si arriva a una nuova immagine della citochinesi batterica (Fig. 2). Se immaginiamo l’involucro cellulare trainato da un’auto a metà della cellula, PBP3 e il processo di costruzione della parete cellulare sarebbero il motore dell’auto, FtsZ guiderebbe la direzione dell’auto, e il legame cromosomico impedirebbe l’avanzamento quando l’involucro rischia di imbattersi in DNA cromosomico non segregato.
Questo nuovo quadro, insieme ai metodi che abbiamo sviluppato, apre nuove strade per esplorare i punti in comune e le differenze specializzate dei meccanismi di divisione cellulare nelle diverse specie batteriche.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Dipartimento di biofisica e chimica biofisica
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimora, MD, USA