Ученые разгадали тайну организации бактерий перед делением клетки

Бактерии обитают практически в любой среде на Земле: в почве, воде, кислых горячих источниках и даже в наших собственных кишечниках. Многие из них участвуют в таких фундаментальных процессах, как ферментация, разложение и фиксация азота.

Однако ученые не понимают фундаментального процесса, происходящего в клетках бактерий: как они организуются перед делением.

Вождение против серфинга

При делении клетка делится на две «дочерние клетки» с тем же генетическим материалом, что и у исходной клетки.

В ходе этого процесса происходит репликация ДНК и других клеточных компонентов, а затем этот «груз» переправляется на противоположные стороны клетки.

Когда все готово, клетка делится посередине, образуя две идентичные дочерние клетки.

Способ доставки клеточного груза у эукариот (тип клеток животных, растений, грибов и некоторых одноклеточных организмов) хорошо известен. Белковые моторы движутся по «магистралям» из белков, называемых актиновыми нитями и микротрубочками, и тянут ДНК и органеллы к противоположным сторонам клетки.

У бактерий нет ни микротрубочек, ни актиновых нитей, но им все же удается координировать движение внутри клетки.

Еще будучи студентом, Энтони Веккиарелли, доктор философии, считал поразительным тот факт, что «мы не знаем, как движутся вещи внутри клетки в целой области жизни».

В настоящее время, являясь сотрудником кафедры биологической химии Медицинской школы Мичиганского университета и доцентом кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития Мичиганского университета, Веккьярелли вместе с группой исследователей провел исследование, целью которого было более глубокое понимание организации и координации движения внутри бактериальной клетки.

Исследователи Мичиганского университета обнаружили, что некоторые бактерии доставляют клеточный груз, «перемещаясь» с помощью белков, называемых АТФазами ParA/MinD.

Эти белки, или «системы позиционирования», даже предназначены для перевозки одного клеточного компонента — у каждого груза есть своя собственная „доска для серфинга“.

Эти движения, или «реакции позиционирования», могут влиять друг на друга, давая ключ к разгадке того, как бактерии координируют сложные движения в клетке перед ее делением.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Модельная бактерия

Для достижения этой цели исследовательской группе сначала пришлось найти бактерию для изучения, поскольку модельные виды, обычно используемые в исследованиях для понимания биологических процессов, не обладают большим количеством систем позиционирования.

Многие модели, которые мы используем для понимания работы бактерий, предполагают отсутствие какой-либо сложной организации для всех этих грузов, — поясняет Веккьярелли.

Есть некоторые бактерии, например, обычная кишечная палочка, которая, похоже, сегрегирует свои хромосомы без активной системы сегрегации.

Использование методов биоинформатики для просеивания генетической информации среди бактерий стало первым шагом к определению распространенности активных систем сегрегации.

Мы обнаружили, что более трети всех секвенированных бактерий действительно кодируют несколько систем позиционирования для нескольких разнородных грузов в одной клетке. E. coli является исключением из нормы, — поясняет Веккиарелли.

Исследовательская группа выбрала для изучения бактерию Halothiobacillus neapolitanus, поскольку она имеет семь различных систем позиционирования для семи различных грузов.

Аспирантка Веккьярелли, Лиза Т. Пулианмакал, научилась культивировать этот вид бактерий в лаборатории и флуоресцентно маркировать пять грузов, что позволило исследователям проследить за их перемещением в живых клетках в процессе роста и деления клеток.

Затем она удалила каждую систему позиционирования, чтобы показать, как каждая из них предназначена для определенного груза.

Следующим шагом стал подход на уровне систем, позволяющий увидеть, как эти грузы взаимодействуют друг с другом.

Системно-биологический подход

Часто исследователи фокусируются на одном биологическом процессе. Они вносят мутацию и затем смотрят, изменился ли этот конкретный процесс. При таком подходе можно упустить косвенные последствия этой мутации.

Данное исследование является одним из первых, в котором используется системно-биологический подход к изучению пространственной организации в клетке бактерии.

Мы обнаружили, что существует множество перекрестных связей, взаимозависимостей и координации между этими процессами организации, — говорит Веккьярелли.

Вот почему так важен подход системной биологии.

Будущие применения

Полученные результаты открывают новые перспективы для биотехнологических разработок.

Каждая система позиционирования состоит из АТФазы и ее адаптерного белка, или доски для серфинга, которая соединяется с грузом. Это дает возможность разработать инструмент синтетической биологии, позволяющий исследователям позиционировать любой груз по своему усмотрению путем соединения с адаптером.

Теперь, когда мы определили пять различных систем позиционирования, которые работают вместе, мы надеемся разработать набор инструментов синтетической биологии для позиционирования широкого спектра синтетических и природных грузов в бактериях для биотехнологических применений, — объясняет Веккьярелли.

Исследователи также планируют изучить перемещение грузов в микробах, имеющих медицинское значение, таких как патогены, или бактерии, вызывающие заболевания.

Для бактериальных патогенов понимание того, как сломать доску для серфинга, может помочь нам разработать новые антибиотики, — заключает Веккиарелли.

22.08.2023