Бактерии способны к чрезвычайно быстрому росту, но только при подходящих условиях. Если им не хватает питательных веществ или слишком холодно или сухо, они переходят в состояние покоя, чтобы переждать это. До сих пор вопрос о том, как отдельные бактериальные клетки решают, делиться ли им, в основном изучался с использованием популяций, которые успешно растут. Но на сегодняшний день никто не может сказать, что побуждает дремлющую бактерию проснуться и начать делиться.
Теперь Уве Зауэр, глава Института молекулярной системной биологии в ETH Zurich, и его команда исследователей разгадали эту загадку. Они изучили кишечную бактерию E. coli, чтобы выяснить, что заставляет клетку впервые делиться. Удивительно, но ответ заключается в единственном белке внутри бактериальной клетки: только когда концентрация этого белка превысит определенный порог, клетка будет делиться. На основе своих выводов исследователи разработали математическую модель. «Теперь впервые эта модель дает количественные прогнозы того, когда начнется деление клеток», - говорит Зауэр. Их исследование было недавно опубликовано в журнале Molecular Systems Biology..
Быстрая активация метаболизма
Чтобы понять этот механизм, исследователи сначала заставили бактерии кишечной палочки впасть в спячку, лишив их питательных веществ. Затем они накормили клетки крошечными капельками раствора глюкозы, которые бактерии поглотили, не теряя времени: в считанные секунды включился их метаболизм. Чтобы продемонстрировать это, исследователи использовали метод, разработанный в лаборатории Зауэра, который позволяет одновременно измерять в реальном времени сотни продуктов метаболизма.
Их анализ показал, что бактериям понадобилось удивительно короткое время, чтобы превратить глюкозу, которую они скармливали, в новую биомассу, включая аминокислоты и нуклеиновые кислоты, которые впоследствии составляют белки и ДНК - предпосылки для формирования новых клеток..
Частота кормления имеет ключевое значение
Бактерии, которые уже находятся в фазе роста, будут продолжать делиться до тех пор, пока присутствует достаточно новой биомассы. Но со спящими клетками дело обстояло иначе: питательные капли глюкозы каждые десять минут заставляли их со временем производить все больше и больше биомассы, но они все еще не делились. Только когда исследователи сократили временной интервал и кормили клетки каждые четыре минуты, произошло деление клеток, хотя и через один час. Увеличение скорости кормления до одного раза в минуту привело к тому, что деление клеток началось почти сразу. «Решающее значение имело не общее количество сахара, а частота кормления», - говорит Зауэр.
Это заставило исследователей заподозрить, что клетки превращают глюкозу в ключевой белок, но этот белок расщепляется в промежутках между кормлениями. Только когда глюкоза поступает с достаточно частыми интервалами, больше белка производится, чем расщепляется, что позволяет клетке делиться. Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи изучили научную литературу в поисках белков, которые играют роль в клеточном делении и расщепляются собственными протеазами клетки. Так они обнаружили белок FtsZ, который при делении образует кольцо, помогающее клетке делиться на две дочерние клетки.
Белок клеточного деления FtsZ как сигнал
Вместе с профессором Романом Стокером из Института экологической инженерии Швейцарской высшей технической школы Цюриха и профессором Сакджуном Джуном из Калифорнийского университета в Сан-Диего исследователи смогли продемонстрировать, что FtsZ действительно расщепляется в клетках E. coli и что его концентрация уменьшается в периоды голодания. Оказывается, это действительно был ключевой белок, который искали исследователи, потому что искусственное ускорение распада FtsZ задержало начало клеточного деления. Напротив, когда исследователи использовали генетические методы, чтобы заставить клетки производить больше FtsZ, эти клетки начали делиться раньше. «Так мы показали, что концентрация FtsZ является решающим сигналом для начала деления клеток», - говорит Зауэр.
По его мнению, эти новые результаты не только служат для дальнейших фундаментальных исследований, они также могут стать основой для конкретных приложений: FtsZ присутствует не только в E. coli, но почти во всех видах бактерий, включая такие патогены, как как микобактерии туберкулеза. «Если мы хотим предотвратить начало деления спящих бактерий, то FtsZ - хорошая точка атаки», - говорит Зауэр. Уже несколько лет несколько лабораторий проводят исследования веществ, ускоряющих распад FtsZ, что делает их перспективными кандидатами на роль новых антибиотиков.