Bakterie wchodzą w interakcje z naszym ciałem każdego dnia, powodując zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki. Polegamy na miliardach korzystnych bakterii w naszym mikrobiomie, które wspomagają nasze trawienie i odporność. Jednocześnie bakterie patogenne mogą nas osłabiać, gdy jesteśmy narażeni na kontakt z zaledwie kilkoma komórkami.
Zrozumienie, w jaki sposób bakterie dzielą się z jednej komórki na dwie komórki pochodne, jest kluczowe dla zaprojektowania sposobów promowania lub blokowania namnażania się różnych gatunków bakterii. Podział komórki bakteryjnej, lub cytokineza, polega na segregacji zreplikowanych chromosomów tak, że każda komórka otrzymuje jedną kopię, oraz na zamknięciu otoczki komórkowej pomiędzy dwiema komórkami córkami.
Fig. 1. (Góra) Super-rozdzielczy obraz fluorescencyjny białka divisomu E. coli, FtsZ, w połowie komórki (pomarańczowy) w schematycznym obrysie komórki (szary). Tło: skaningowy mikrograf elektronowy komórek E. coli. (Dół) FtsZ obrazowane w tej samej komórce E. coli za pomocą mikroskopii konwencjonalnej (po lewej) lub superrozdzielczej (po prawej). Image credit: Carla Coltharp.
Wiele dekad badań dostarczyło listy niezbędnych lub „bardzo ważnych” białek (VIP) wymaganych do cytokinezy i ujawniło, że te VIP-y łączą się w pierścieniowaty „divisom” w środku komórki (ryc. 1).
Nasza ostatnia praca dotyczyła jednego z długo zadawanych pytań na temat funkcjonowania divisomu: który VIP dostarcza siły napędowej do napędzania cytokinezy, dyktując w ten sposób jej szybkość? Wiedza o tym źródle mocy pomogłaby nam ustalić priorytety, które białka należy namierzyć, jeśli chcemy zmienić szybkość cytokinezy u niektórych bakterii.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw opracowaliśmy metodę mikroskopii o bardzo wysokiej rozdzielczości, aby uzyskać znacznie ostrzejsze obrazy diwisomu i granic komórek bakteryjnych, które wydają się rozmyte w konwencjonalnych mikroskopach, ponieważ bakterie są tak małe (Rys. 1). Te super-rozdzielcze obrazy pozwoliły nam zmierzyć szybkość cytokinezy w komórkach bakteryjnych znacznie dokładniej niż mogliśmy to zrobić wcześniej.
Aby określić względne znaczenie każdego VIP-a, stworzyliśmy różne szczepy bakterii z mutacjami, które „złamały” każdego VIP-a, jeden po drugim. Następnie zastosowaliśmy nasze metody superrozdzielczości do pomiaru tempa cytokinezy w każdym zmutowanym szczepie, aby sprawdzić, które mutacje miały największy wpływ na szybkość podziału.
Początkowo testowaliśmy mutacje białka zwanego FtsZ. FtsZ może tworzyć długie polimery i zostało zaproponowane jako siła napędowa cytokinezy, ponieważ stale uwalnia energię chemiczną poprzez rozbijanie wysokoenergetycznej cząsteczki zwanej GTP, podobnie jak robią to polimery aktyny i miozyny podczas podziału komórek w komórkach ludzkich. Ku naszemu zaskoczeniu odkryliśmy, że mutacje FtsZ nie zmieniły znacząco tempa cytokinezy.
Fig. 2. Model koncepcyjny cytokinezy u bakterii. Dzieląca się komórka (po lewej) zawiera rozdzielający się DNA (żółty) i śródkomórkowy diwisom (czerwony), który zwęża do wewnątrz otoczkę komórkową (brązowy). Szybkość i precyzja zwężania otoczki komórkowej zależy od skoordynowanych wysiłków białek takich jak PBP3, FtsZ i MatP, przedstawionych jako uczestnicy scenariusza jazdy (po prawej). Image credit: Ryan McQuillen and Carla Coltharp.
W przeciwieństwie do tego stwierdziliśmy, że tempo cytokinezy zależało najbardziej od jednego VIP-a znanego jako PBP3 (lub białko wiążące penicylinę 3). PBP3 jest zaangażowane w budowę ściany komórkowej, która otacza komórki bakteryjne. Kiedy osłabiliśmy aktywność PBP3, cytokineza uległa znacznemu spowolnieniu, co sugeruje, że budowa ściany komórkowej może napędzać cytokinezę. To odkrycie ujawnia kluczową różnicę między podziałem komórek w komórkach bakteryjnych o ściankach vs. komórki zwierzęce bez ścianek.
Ponadto, kiedy odcięliśmy połączenie między białkami diwisomowymi związanymi z otoczką komórkową a białkami diwisomowymi związanymi z chromosomem, zaskakująco odkryliśmy, że cytokineza przebiegała szybciej. To powiązanie białkowe może więc funkcjonować w celu sprawdzenia cytokinezy, aby otoczka nie zamknęła się zbyt szybko, zanim dwie kopie chromosomów skończą się rozdzielać.
Połączenie naszych odkryć z odkryciami wielu innych grup prowadzi do nowego obrazu cytokinezy bakteryjnej (ryc. 2). Jeśli wyobrazimy sobie otoczkę komórkową ciągniętą przez samochód w połowie komórki, PBP3 i proces budowy ściany komórkowej będą silnikiem samochodu, FtsZ będzie sterować kierunkiem samochodu, a wiązania chromosomowe będą hamować postęp, gdy otoczka będzie zagrożona wpadnięciem na niesegregowane chromosomalne DNA.
Ten nowy obraz, wraz z metodami, które opracowaliśmy, otwiera nowe drogi do zbadania podobieństw i wyspecjalizowanych różnic mechanizmów podziału komórki u różnych gatunków bakterii.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Wydział Biofizyki i Chemii Biofizycznej
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA
.