Как бактерия понимает, что пора делиться?
Бактериальные клетки не просыпаются однажды утром с решением стать родителями. Но в их клеточном цикле есть момент — после достаточного роста и репликации генома — когда они делятся надвое. Что же подаёт бактерии сигнал к делению? Учёные были разделены во мнениях на этот счёт.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда под руководством учёных из Института Вейцмана использовала статистические методы, чтобы выявить наиболее правдоподобную модель клеточного деления.
Противоречивые модели
Предыдущие исследования привели к двум противоречивым моделям:
- Модель репликации ДНК: Наблюдения показали, что клетки растут на одинаковый объём от момента дупликации ДНК до деления. Это навело на мысль, что сигнал к делению запускается на стадии копирования генетического материала.
- Модель "будильника" с рождения: Другие исследования показали, что клетки растут на одинаковый объём от момента своего рождения до деления. Согласно этой модели, регуляторный белок начинает накапливаться с самого рождения клетки, как тикающий будильник, который срабатывает при достижении определённого уровня белка.
Третья, гибридная модель, предлагала участие как регуляторного белка, так и репликации ДНК. Однако все эти модели были основаны на корреляции, а не на доказанной причинно-следственной связи.
Статистический тест на причинность
Чтобы разрешить противоречие, профессор Ариэль Амир и международная команда учёных применили тестирование условной независимости — статистический инструмент, разработанный лауреатом Премии Тьюринга Джудой Перлом.
Исследователи проанализировали данные о росте сотен различных бактерий E. coli в разных условиях: одни делились быстро, другие — медленно. Данные включали время разных стадий жизненного цикла и размер клеток.
Тест задавал вопросы "если–то", чтобы отличить простую корреляцию от причинно-следственной связи. Команда сравнивала группы бактериальных клеток, которые были схожего размера на стадии дупликации ДНК, но имели разный размер при рождении.
Неожиданный результат
Результаты удивили учёных: обе модели оказались верны, но в зависимости от скорости роста клетки.
- При медленном росте клетки время деления определялось исключительно процессами репликации ДНК.
- При быстром росте ситуация усложнялась: на время деления влияли оба фактора — и процессы, начавшиеся с рождения, и дупликация ДНК (но не так, как предполагала гибридная модель).
Кроме того, исследователи обнаружили визуальный признак "точки невозврата" в делении: клетка обречена разделиться в момент, когда у её центра начинает формироваться кольцо.
С помощью того же статистического теста учёные опровергли распространённую теорию о том, что время репликации ДНК в одном поколении жёстко определяет его в следующем. Они показали, что процессы в родительской клетке, происходящие после начала репликации её ДНК, могут влиять на то, когда дочерние клетки начнут копировать свой генетический материал.
"Использование статистических методов для подтверждения причинно-следственной связи даёт нам лучшее понимание процессов роста и деления бактериальных клеток", — говорит Амир. — "Я считаю, что возможность охарактеризовать процессы роста и размножения широкого спектра патогенов проложит путь к разработке более эффективных антибиотиков в будущем".