Bakterier interagerar med våra kroppar varje dag, vilket leder till både positiva och negativa resultat. Vi förlitar oss på de miljarder nyttiga bakterier som finns i vårt mikrobiom för att stödja vår matsmältning och vårt immunförsvar. Samtidigt kan patogena bakterier försvaga oss när vi utsätts för bara några få celler.
Förståelsen av hur bakterier delar sig från en cell till två dotterceller är avgörande för att utforma sätt att hjälpa till att främja eller blockera multiplikation av olika bakteriearter. Bakteriernas celldelning, eller cytokinesis, innebär att de replikerade kromosomerna separeras så att varje dottercell får en kopia och att cellhöljet kläms ihop mellan de två dottercellerna.
Fig. 1. (Överst) Högupplöst fluorescensbild av E. coli divisomprotein, FtsZ, i mitten av cellen (orange) inom en schematisk cellkontur (grå). Bakgrund: Röntgenelektronmikroskopisk bild av E. coli-celler. (Nederst) FtsZ avbildat i samma E. coli-cell med konventionell (vänster) eller superupplösande (höger) mikroskopi. Bildkredit: Carla Coltharp.
Många decennier av studier har gett en lista över essentiella eller ”mycket viktiga” proteiner (VIP) som krävs för cytokinesis, och avslöjat att dessa VIP samlas i en ringliknande ”divisom” i mitten av cellen (Fig. 1).
Vår nyligen publicerade artikel tog upp en fråga som länge varit öppen om hur divisomen fungerar: vilken VIP ger drivkraften för att driva cytokinesis framåt, och dikterar därmed dess hastighet? Att känna till denna kraftkälla skulle hjälpa oss att prioritera vilka proteiner vi ska rikta in oss på om vi vill förändra cytokinesens hastighet i vissa bakterier.
För att ta itu med denna fråga utarbetade vi först en mikroskopimetod med mycket hög upplösning för att få mycket skarpare bilder av divisomen och bakteriecellens gränser, som verkar suddiga med konventionella mikroskop på grund av att bakterier är så små (Fig. 1). Dessa högupplösta bilder gjorde det möjligt för oss att mäta hastigheten på cytokinesen i bakterieceller mycket mer exakt än vad vi kunde göra tidigare.
För att ta reda på den relativa betydelsen av varje VIP skapade vi olika bakteriestammar med mutationer som ”bröt” varje VIP, en i taget. Vi tillämpade sedan våra superupplösningsmetoder för att mäta cytokinesishastigheten i varje mutantstam, för att se vilka mutationer som hade störst effekt på delningshastigheten.
Vi testade först mutationer i ett protein som kallas FtsZ. FtsZ kan bilda långa polymerer och har föreslagits vara den kraftmotor som driver cytokinesin eftersom den kontinuerligt frigör kemisk energi genom att bryta ner en hög energimolekyl som kallas GTP, ungefär som polymererna av aktin och myosin gör under celldelningen i mänskliga celler. Till vår förvåning fann vi att mutationer mot FtsZ inte nämnvärt förändrade cytokinesens hastighet.
Fig. 2. Konceptuell modell för cytokinesis i bakterier. En cell som delar sig (vänster) innehåller separerande DNA (gult) och en divisom i mitten av cellen (rött), som drar ihop cellhöljet inåt (brunt). Hastigheten och precisionen i sammandragningen av cellhöljet bestäms av de samordnade insatserna av proteiner som PBP3, FtsZ och MatP, som avbildas som deltagare i ett körscenario (till höger). Bildkredit: Ryan McQuillen och Carla Coltharp.
Däremot fann vi att cytokinesens hastighet var mest beroende av ett VIP som kallas PBP3 (eller penicillinbindande protein 3). PBP3 är involverad i uppbyggnaden av den cellvägg som omsluter bakterieceller. När vi försämrade PBP3:s aktivitet saktat ner cytokinesin betydligt, vilket tyder på att cellväggsbyggandet kan driva cytokinesin. Detta fynd avslöjar en viktig skillnad mellan celldelningen i väggomgärdade bakterieceller jämfört med vägglösa djurceller.
För övrigt, när vi bröt en koppling mellan cellhöljeassocierade divisomproteiner och kromosomassocierade divisomproteiner, upptäckte vi förvånansvärt nog att cytokinesen fortskred snabbare. Denna proteinkoppling kan alltså fungera för att kontrollera cytokinesis så att höljet inte stängs för snabbt innan de två kromosomkopiorna har separerat färdigt.
Om vi sammanställer våra fynd med fynd från många andra grupper kommer vi fram till en ny bild av bakteriell cytokinesis (fig. 2). Om vi föreställer oss att cellhöljet bogseras av en bil i mitten av cellen, skulle PBP3 och cellväggsbyggnadsprocessen vara bilens motor, FtsZ skulle styra bilens riktning och kromosomlänken skulle hindra framåtskridandet när höljet riskerar att stöta på osegregerat kromosomalt DNA.
Denna nya bild, tillsammans med de metoder som vi utvecklat, öppnar nya vägar för att utforska de gemensamma och specialiserade skillnaderna i celldelningsmekanismerna mellan olika bakteriearter.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Avdelningen för biofysik och biofysikalisk kemi
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA