Математическая модель объясняет распределение генетической информации при делении бактериальных клеток

Точная сегрегация ДНК и надежное наследование плазмид — ключевые этапы деления бактериальной клетки. Исследователи под руководством Шона Мюррея из Института наземной микробиологии Макса Планка разработали компьютерную симуляцию, объясняющую ключевой механизм сегрегации ДНК. Их работа открывает путь для экспериментальной проверки и раскрывает фундаментальные биохимические принципы, важные для синтетической биологии и медицины.

Исследовательская группа успешно создала вычислительную симуляцию этого центрального процесса. В отличие от экспериментальных методов, часто ограниченных разрешением, стохастическое моделирование позволяет раскрыть лежащие в основе процессы сегрегации ДНК и понять тонкую структуру задействованных белков.

У многих бактерий важную роль играет образование крупного макромолекулярного комплекса — партиционного комплекса, формируемого системой ParABS. Белок ParB перемещает ДНК, взаимодействуя с ParA-ATP, связанным с ДНК, обеспечивая активное разделение ДНК.

Принцип "скольжения и образования мостиков"

Несмотря на важность, структура белковых комплексов и механизмы их сборки оставались неясными. Основываясь на недавних открытиях, команда разработала модель, показывающую, что ДНК и димеры ParB следуют принципу "скольжения и образования мостиков".

Аспирантка Лара Коннолли, первый автор исследования, сосредоточилась на процессе загрузки димеров ParB на ДНК в специфических областях — сайтах parS. "Согласно нашей стохастической модели, димеры ParB присоединяются к ДНК в сайтах parS, формируя белковый зажим, а затем скользят вдоль цепи ДНК, подобно бусинам на нити. Мы также предсказываем, что короткоживущие мостики организуют ДНК в шпилечные и спиральные структуры для её конденсации. Причём эти мостики не мешают скольжению", — объясняет Лара Коннолли.

Руководитель группы Шон Мюррей добавляет: "Взаимодействия по типу мостиков между димерами приводят к изгибу ДНК и формированию разнообразных структур. Дальнейшее изучение этих структурных вариаций может стать ключом к пониманию роли ParB в разных биологических контекстах".

Следующий шаг — проведение экспериментов для детальной проверки и валидации предсказаний модели. Исследования на разных видах бактерий помогут лучше понять разнообразие структур партиционного комплекса.

"Наше исследование даёт более глубокое понимание мира сегрегации ДНК и потенциально значимо для многих видов бактерий, а также для плазмид низкой копийности, которые также сегрегируются системой ParABS", — говорит Шон Мюррей. "Гены антибиотикорезистентности часто расположены на таких плазмидах. Поэтому, помимо фундаментальной важности, эти результаты могут иметь значение и для общественного здравоохранения".

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.