Белок со стартовым пистолетом

Решение о начале размножения у спящих бактерий — не случайность. Они просто ждут четкого сигнала от одного белка внутри клетки. Исследователи из ETH расшифровали молекулярные механизмы этого процесса.

Бактерии способны к чрезвычайно быстрому росту, но только при подходящих условиях. При нехватке питательных веществ или неблагоприятных условиях они впадают в спящее состояние. До сих пор было неясно, что именно побуждает спящую бактерию проснуться и начать делиться.

Уве Зауэр и его команда из Института молекулярной системной биологии ETH Zurich решили эту загадку, изучая кишечную палочку E. coli. Оказалось, что решение зависит от концентрации одного белка внутри бактериальной клетки: деление начинается только тогда, когда его концентрация превышает определенный порог. На основе этих данных исследователи создали математическую модель, которая впервые позволяет количественно предсказать начало клеточного деления. Исследование опубликовано в журнале Molecular Systems Biology.

Быстрая активация метаболизма

Исследователи ввели бактерии в состояние покоя, лишив их питательных веществ, а затем кормили микроскопическими каплями раствора глюкозы. Метаболизм бактерий активировался за секунды. Анализ с помощью метода, разработанного в лаборатории Зауэра, показал, что бактерии за поразительно короткое время превращали глюкозу в новую биомассу, включая аминокислоты и нуклеиновые кислоты — строительные блоки для белков и ДНК.

Частота кормления — ключевой фактор

Кормление спящих клеток каждые 10 минут приводило к накоплению биомассы, но не к делению. Когда интервал сократили до 4 минут, деление началось через час. При кормлении каждую минуту деление начиналось почти сразу. «Решающим фактором была не общее количество сахара, а частота кормления», — поясняет Зауэр.

Это навело на мысль, что клетки производят из глюкозы ключевой белок, который разрушается в промежутках между кормлениями. Деление возможно, только когда белка производится больше, чем разрушается.

Белок клеточного деления FtsZ в роли сигнала

В научной литературе исследователи нашли белок FtsZ, который формирует кольцо при делении и разрушается собственными протеазами клетки. Вместе с профессорами Романом Штокером (ETH Zurich) и Сакджуном Джуном (Калифорнийский университет в Сан-Диего) они показали, что FtsZ действительно разрушается в клетках E. coli, и его концентрация падает в периоды голода.

Искусственное ускорение распада FtsZ задерживало начало деления. Напротив, генетическое увеличение производства FtsZ заставляло клетки делиться раньше. «Так мы показали, что концентрация FtsZ является решающим сигналом для начала деления клеток», — говорит Зауэр.

Эти открытия важны не только для фундаментальной науки. Белок FtsZ присутствует почти у всех видов бактерий, включая патогены, такие как Mycobacterium tuberculosis. «Если мы хотим предотвратить деление спящих бактерий, то FtsZ — хорошая мишень», — отмечает Зауэр. Уже несколько лет в разных лабораториях исследуют вещества, ускоряющие распад FtsZ, что делает их перспективными кандидатами для новых антибиотиков.