Являясь основной единицей жизни, клетка является одним из наиболее тщательно изученных компонентов всех живых организмов. Тем не менее, детали основных процессов, таких как формирование клеток, остаются загадкой. Работая на стыке биологии и физики, ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали неожиданное открытие, лежащее в основе образования клеток.
Как сообщалось в журнале Cell от 8 февраля 2018 года, биологи Хавьер Лопес-Гарридо, Кит Польяно и их коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Имперского колледжа в Лондоне обнаружили, что ДНК выполняет неожиданную архитектурную роль в формировании клеток. бактерий.
Изучая бактерию Bacillus subtilis, исследователи использовали множество экспериментов и технологий, чтобы показать, что ДНК, помимо кодирования генетической информации, также «накачивает» бактериальные клетки.
«Наше исследование показывает, что ДНК действует как воздух в воздушном шаре, раздувая клетку», - сказал Лопес-Гарридо, ассистент научного сотрудника отдела биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор исследования. «ДНК наиболее известна как молекула с генетической информацией, но становится все более и более очевидным, что она выполняет и другие функции, не связанные с этим».
Исследователи говорят, что результаты могут иметь отношение к клеткам человека с точки зрения того, как они генерируются и формируются, а также помогают объяснить основные механические процессы и структуру ядра и митохондрий. Результаты также могут позволить ученым заглянуть в происхождение самой клеточной жизни. По словам Лопес-Гарридо, современные бактериальные клетки развили множество механизмов для контроля своего внутреннего давления. Однако эти механизмы отсутствовали в примитивных клетках на заре жизни на Земле. Открытие того, что ДНК может раздувать клетку, может позволить ученым лучше понять физиологию первых клеток на планете.
«Биологи склонны думать о росте клеток как о нормальном пути биосинтеза, но мы обнаружили путь, который не является нормальным, поскольку он не зависит от процессов, обычно необходимых для роста», - сказал Польяно, профессор Секция молекулярной биологии и старший автор статьи. «Все, что вам нужно, чтобы эта клетка росла, - это наполнить ее ДНК и связанными с ней положительно заряженными ионами, а также способность создавать больше мембран, чтобы клетка могла увеличиваться в размерах. Кажется, больше ничего не требуется».
Исследователи использовали покадровую флуоресцентную микроскопию, чтобы методично отслеживать формирование клеток в Bacillus subtilis посредством процесса, известного как споруляция. Во время этого процесса клетки делятся на материнскую клетку и меньшую клетку, или предспору. Кроме того, используя криоэлектронную томографию, чтобы запечатлеть происходящий процесс крупным планом, исследователи стали свидетелями того, как материнские клетки наполняют предспору ДНК в процессе растяжения и набухания, что в конечном итоге приводит к образованию новой клетки в форме яйца.
«Удивительно, как мы только начинаем царапать поверхность того, как физика влияет на живые организмы», - сказал Польяно. «Это уникальный пример очень простого биофизического свойства, влияющего на форму клетки, и он иллюстрирует ценность тесного сотрудничества физиков с биологами. Понимание того, как пересекаются физика и биология, - огромная область для будущего роста».
Соавторы исследования Никола Ойкич и Роберт Эндрес из Имперского колледжа; и Каника Ханна, Феликс Вагнер и Элизабет Вилла из Калифорнийского университета в Сан-Диего.