Новые данные о контроле репликации ДНК и клеточного деления Corynebacterium glutamicum, биотехнологически важного микроорганизма, могут помочь оптимизировать промышленное производство аминокислот.
Палочковидные грамположительные почвенные бактерии Corynebacterium glutamicum играют важную роль в биотехнологии. Как видно из названия вида, C. glutamicum синтезирует глутаминовую кислоту (одну из 20 канонических аминокислот, содержащихся в белках) в больших количествах и используется для крупномасштабного производства этой и многих других аминокислот. Однако урожайность ограничена тем фактом, что по сравнению с бактериями, такими как Escherichia coli, культуры коринебактерий растут относительно медленно. Профессор-микробиолог Марк Брамкамп из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене и его исследовательская группа теперь более внимательно изучили способ роста и пролиферации C. glutamicum и обнаружили ранее неизвестные аспекты этих процессов, которые можно использовать. для повышения темпов роста.
Делению бактериальной клетки предшествует репликация бактериальной(ых) хромосомы(ы). Репликация начинается с одного источника и влечет за собой сегментарную диссоциацию двух нитей двойной спирали ДНК. Локализованное разделение нитей ДНК происходит на так называемой репликационной вилке. Затем каждая цепь действует как матрица для ферментативного синтеза комплементарной цепи. Таким образом, весь процесс приводит к производству двух копий каждой родительской хромосомы, которые равномерно распределяются между двумя дочерними клетками. У многих видов бактерий, включая E. coli (имеющую только одну кольцевую хромосому), время генерации на самом деле короче, чем время, необходимое для полной репликации хромосомы. Микроорганизмы совершают этот подвиг, инициируя второй цикл репликации ДНК до прекращения предыдущего. В результате дочерние клетки содержат хромосомы с уже идущими новыми раундами репликации во время клеточного деления. Этот способ клеточной пролиферации называется репликацией «множество вилок», потому что каждая реплицирующаяся молекула будет содержать несколько вилок репликации.
Считалось, что темпы роста коринебактерий достаточно медленны, чтобы у их хромосом было достаточно времени для полной репликации до того, как произойдет деление клетки, и, следовательно, представители этого рода не используют множественную репликацию. Исследователи LMU наблюдали за ростом клеток C. glutamicum на протяжении многих поколений с помощью микроскопии высокого разрешения. К своему большому удивлению, они обнаружили, что этот вид на самом деле способен реализовывать режим множественной репликации ДНК. «Это важное открытие, потому что оно подразумевает, что в принципе возможно увеличить скорость роста C.glutamicum, - говорит Брамкамп. - Во всяком случае, скорость репликации его ДНК не является ограничивающим фактором».
Кроме того, новое исследование показывает, что клетки C. glutamicum обычно содержат два полных набора хромосом (и поэтому являются «диплоидными»), в то время как считается, что подавляющее большинство видов бактерий содержат только один. Диплоидное состояние дает ряд преимуществ. Например, он облегчает заживление двухцепочечных разрывов ДНК и других типов повреждений ДНК, поскольку неповрежденная копия хромосомы может служить шаблоном для процесса восстановления. Это имеет особое значение для бактерий, которые подвергаются потенциально повреждающим ДНК воздействиям, таким как ультрафиолетовое излучение. Таким образом, авторы нового исследования предполагают, что диплоидный характер C. glutamicum представляет собой адаптацию к высоким уровням экологического стресса.
С. glutamicum также тесно связан с рядом клинически значимых патогенов, включая виды, ответственные за инфекционные заболевания, такие как дифтерия, туберкулез или проказа.«Поскольку фундаментальные клеточные биологические процессы в близкородственных организмах очень часто имеют сходную структуру, наши результаты должны позволить нам делать надежные прогнозы в отношении способов роста этих патогенов», - отмечает Брамкамп. Он и его коллеги считают, что их результаты также облегчат усилия по разработке новых методов лечения коринебактериальных инфекций, основанных на ингибировании репликации ДНК..