Международная группа ученых, используя новейшие методы визуализации, обнаружила, как белки деления бактерий строят перегородку в клетке, по одной молекуле за раз.
Публикация в Science, группа сообщает о бегущей дорожке бактериального цитоскелета, который, как они обнаружили, имеет решающее значение для деления.
В долгосрочной перспективе это исследование может открыть новые мишени для антибиотиков, поскольку возможно будет разработать новые лекарства, которые специально ингибируют это движение. Это похоже на то, как химиотерапевтический препарат таксол подавляет движение цитоскелета в раковых клетках.
Деление бактериальных клеток как цель
Появление бактерий, устойчивых к антибиотикам, угрожает вернуть нас в эпоху, когда даже заражение от незначительной царапины может убить.
Одной из ключевых мишеней для антибиотиков является процесс деления бактериальных клеток. Однако на протяжении десятилетий этот процесс оставался загадочным, поскольку деление клеток происходит на наноуровне, невидимом для обычной микроскопии.
Команды со всего мира, из Ньюкаслского университета в Великобритании, Гарвардского университета и университетов Индианы в США и Технического университета Делфта в Нидерландах, работали вместе, чтобы использовать новейшие методы визуализации, чтобы раскрыть неуловимые механистические принципы бактериальной клетки. дивизия.
Бактерии делятся из-за высокого внутреннего давления, что похоже на попытку разрезать надутый воздушный шар пополам, не лопнув его. Вокруг места будущего деления образуется кольцо белковых нитей, а ферменты, связанные с этим кольцом, строят новую поперечную стенку, расщепляющую бактерию пополам. Но что остается совершенно загадкой, так это то, как эти белки работают вместе как единая наноразмерная машина, разрезая кожу бактериального баллона, клеточную стенку, на две части.
Исследователи работали над отслеживанием динамики вновь вставленной клеточной стенки, которая разделяет клетку, ферментов, которые строят этот материал, и лежащей в основе динамики белковых нитей цитоскелета, которые управляют всем процессом. Они начали с изучения движения FtsZ, нити цитоскелета, которая необходима для цитокинеза у бактерий и связана с белком цитоскелета тубулином, обнаруженным в эукариотических клетках.
Критическая скорость движения филамента
Используя методы микроскопии с высоким разрешением, они обнаружили, что филаменты FtsZ перемещаются вокруг места деления, путешествуя по кольцу деления. Они визуализировали движение отдельных ферментов синтеза клеточной стенки и увидели, что ферменты синтеза перемещаются по филаментам FtsZ, строя новую клеточную стенку, перемещаясь вокруг места деления. Это приводит к тому, что клеточная стенка синтезируется в дискретных участках, которые перемещаются вокруг места деления во время цитокинеза, процесс, который они смогли наблюдать непосредственно с помощью красителей, маркирующих бактериальную клеточную стенку. Используя различные экспериментальные методы, они смогли ускорить или замедлить скорость вращения FtsZ вокруг клетки.
Доктор Симус Холден из Института клеточных и молекулярных биологических наук Университета Ньюкасла и один из ведущих авторов исследования сказал: «Поразительно, но мы обнаружили, что скорость движения филамента FtsZ определяет, насколько быстро клетка может двигаться. деление. Когда FtsZ движется быстрее, клеточная стенка строится быстрее, и цитокинез происходит быстрее. Это показывает, что движение FtsZ является критическим общим регулятором клеточного деления».
Одна из проблем, с которой столкнулись ученые, заключалась в попытке изучить белки деления в активно делящихся клетках. На самых ранних стадиях деления можно было изобразить организацию белков деления, потому что белки в частично собранном кольце распределены редко. Однако для измерения того, как организована плотная белковая сеть активно делящихся клеток, требовалась новая стратегия.
Ученые обычно иммобилизуют бактерии на предметном стекле микроскопа и фотографируют их снизу, но, к сожалению, в этом случае делительное кольцо оказывается сбоку, скрывая движение и организацию белков деления. Однако у исследователей была хитрость в рукаве - с помощью технологии нанопроизводства, первоначально разработанной для производства компьютерных чипов, они смогли разработать крошечные гелевые наноклетки для захвата бактерий в вертикальном положении.
Доктор Холден добавил: «Захватив отдельные бактерии в скульптурные наноклетки, мы смогли повернуть кольцо клеточного деления так, чтобы оно было полностью видно в нашем микроскопе с высоким разрешением. Это выявило динамическое движение филаментов FtsZ по мере их перемещения. вокруг всего участка дивизии.
"В настоящее время мы работаем над объединением этого подхода с микроскопией сверхвысокого разрешения для дальнейшего увеличения разрешения в 10-20 раз и, наконец, получения изображения организации отдельных белков и филаментов клеточного деления."
Вместе эти результаты выявили основные механистические принципы деления бактериальных клеток: построение поперечной стенки деления управляется движущимися нитями цитоскелета. Ранее считалось, что цитоскелет служит статическим каркасом, рекрутируя другие молекулы и, возможно, оказывая некоторую локальную силу для деления клетки. Эта новая работа демонстрирует, что все компоненты клеточного деления находятся в постоянном контролируемом движении вокруг места деления, движимом фундаментальной динамикой цитоскелета.
В долгосрочной перспективе это исследование может открыть новые мишени для антибиотиков. Основываясь на открытии того, что беговое движение бактериального цитоскелета имеет решающее значение для деления, можно разработать новые лекарства, которые специфически подавляют это движение, подобно тому, как химиотерапевтический препарат таксол подавляет движение цитоскелета в раковых клетках.