Bacteriile interacționează cu corpul nostru în fiecare zi, având rezultate atât pozitive, cât și negative. Ne bazăm pe miliardele de bacterii benefice din microbiomul nostru pentru a ne susține digestia și imunitatea. În același timp, bacteriile patogene ne pot debilita atunci când suntem expuși la doar câteva celule.
Înțelegerea modului în care bacteriile se divid dintr-o celulă în două celule fiice este crucială pentru a concepe modalități de a ajuta la promovarea sau blocarea înmulțirii diferitelor specii bacteriene. Diviziunea celulară bacteriană, sau citochineza, implică segregarea cromozomilor replicați, astfel încât fiecare celulă fiică să primească o copie, și strângerea învelișului celular între cele două celule fiice.
Fig. 1. (Sus) Imagine de fluorescență de super-rezoluție a proteinei divizomului E. coli, FtsZ, la mijlocul celulei (portocaliu) în cadrul unui contur celular schematic (gri). Fundal: micrografie electronică de scanare a celulelor E. coli. (Jos) FtsZ imaginat în aceeași celulă E. coli cu microscopie convențională (stânga) sau de super-rezoluție (dreapta). Credit imagine: Carla Coltharp.
Multe decenii de studii au furnizat o listă de proteine esențiale sau „foarte importante” (VIP) necesare pentru citochineză și au dezvăluit că aceste VIP-uri se adună într-un „divizom” inelar în mijlocul celulei (Fig. 1).
Articolul nostru recent a abordat o întrebare de lungă durată cu privire la modul în care funcționează divizomul: care VIP furnizează forța motrice pentru a propulsa citochineza, dictând astfel viteza acesteia? Cunoașterea acestei surse de energie ne-ar ajuta să stabilim cu prioritate ce proteine să vizăm dacă dorim să modificăm viteza citocinezei la anumite bacterii.
Pentru a aborda această întrebare, am conceput mai întâi o metodă de microscopie de foarte înaltă rezoluție pentru a obține imagini mult mai clare ale divizomului și ale limitelor celulelor bacteriene, care apar neclare cu microscoapele convenționale, deoarece bacteriile sunt foarte mici (Fig. 1). Aceste imagini de super-rezoluție ne-au permis să măsurăm viteza citocinezei în celulele bacteriene mult mai precis decât am putut-o face înainte.
Pentru a determina importanța relativă a fiecărui VIP, am creat diferite tulpini de bacterii cu mutații care au „rupt” fiecare VIP, unul câte unul. Apoi am aplicat metodele noastre de super-rezoluție pentru a măsura rata citocinezei în fiecare tulpină mutantă, pentru a vedea care mutații au avut cele mai mari efecte asupra vitezei de diviziune.
Am testat mai întâi mutații la o proteină numită FtsZ. FtsZ poate forma polimeri lungi și s-a propus să fie motorul energetic care conduce citochineza, deoarece eliberează continuu energie chimică prin descompunerea unei molecule de mare energie numită GTP, la fel cum fac polimerii de actină și miozină în timpul diviziunii celulare în celulele umane. Spre surprinderea noastră, am constatat că mutațiile la FtsZ nu au modificat semnificativ rata citocinezei.
Fig. 2. Modelul conceptual al citocinezei la bacterii. O celulă care se divide (stânga) conține ADN de separare (galben) și un divizom la mijlocul celulei (roșu), care constrânge spre interior învelișul celular (maro). Viteza și precizia constricției învelișului celular este determinată de eforturile coordonate ale unor proteine precum PBP3, FtsZ și MatP, reprezentate ca participanți la un scenariu de conducere (dreapta). Credit imagine: Ryan McQuillen și Carla Coltharp.
În schimb, am descoperit că viteza de citochineză depinde cel mai mult de un VIP cunoscut sub numele de PBP3 (sau proteina 3 de legare a penicilinei). PBP3 este implicată în construirea peretelui celular care învelește celulele bacteriene. Atunci când am afectat activitatea PBP3, citocineza a încetinit semnificativ, sugerând că construcția peretelui celular poate conduce la citocineză. Această descoperire relevă o diferență cheie între diviziunea celulară în celulele bacteriene cu pereți față de celulele animale fără pereți.
În plus, când am întrerupt o legătură între proteinele divizomului asociate învelișului celular și proteinele divizomului asociate cromozomului, am descoperit în mod surprinzător că citochineza a decurs mai rapid. Această legătură proteică poate funcționa astfel pentru a verifica citochineza, astfel încât învelișul să nu se închidă prea repede înainte ca cele două copii ale cromozomului să fi terminat de separat.
Punând laolaltă descoperirile noastre cu cele ale multor alte grupuri, ajungem la o nouă imagine a citochinezei bacteriene (Fig. 2). Dacă ne imaginăm învelișul celular tractat de o mașină la mijlocul celulei, PBP3 și procesul de construire a peretelui celular ar fi motorul mașinii, FtsZ ar conduce direcția mașinii, iar legătura cromozomilor ar împiedica înaintarea atunci când învelișul este în pericol de a da peste ADN cromozomial nesegregat.
Această nouă imagine, împreună cu metodele pe care le-am dezvoltat, deschide noi căi de explorare a punctelor comune și a diferențelor specializate ale mecanismelor de diviziune celulară la diferite specii bacteriene.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Departamentul de Biofizică și Chimie Biofizică
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, SUA
.