Новая модель репродукции бактерий E. coli

Исследователи из AMOLF с помощью новой математической модели раскрыли, как одноклеточные организмы, такие как бактерии, координируют рост, деление клетки и репликацию ДНК. Во время каждого цикла роста и деления (клеточного цикла) клетке необходимо точно один раз скопировать все клеточные компоненты.

Докторант Марейке Бергер и профессор Питер Рейн тен Вольде разработали модель, предлагающую объяснение этому процессу. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Вопрос о том, как бактерия «знает», когда пора копировать свою ДНК, занимает учёных десятилетиями. «Первые количественные эксперименты с модельным организмом E. coli датируются 1950-ми годами, и мы до сих пор не знаем точно, как эти бактерии обеспечивают стабильное размножение», — говорит Бергер.

Современная микроскопия одиночных клеток позволяет наблюдать за их ростом и делением. Кажется, что E. coli следует простым правилам: бактерия растёт, непрерывно увеличивая свой объём, и при достижении определённого объёма начинает новый раунд репликации ДНК. Однако остаётся неясным, как клетка измеряет собственный объём.

Белок-инициатор

Новый раунд репликации всегда начинается в конкретном сайте хромосомы — точке начала репликации. Биологические эксперименты показывают, что для открытия хромосомы требуется активаторный белок DnaA, который связывается с этой точкой. Этот же белок может прочно связываться и с другими сайтами на хромосоме.

В 1990-х годах на основе этой информации была предложена модель титрования: DnaA сначала связывается с этими сайтами титрования, и только когда все они насыщены, он связывается с точкой начала репликации. «Мы протестировали эту модель в различных условиях роста и с удивлением обнаружили, что она обеспечивает стабильные клеточные циклы только при низких скоростях роста», — отмечает Бергер.

E. coli может расти быстрее, чем длится репликация всей хромосомы. При таких высоких скоростях роста должен существовать другой механизм поддержания стабильности клеточных циклов.

Переключатель активации белка

Многочисленные эксперименты показали, что белок DnaA может находиться в активной и неактивной формах и переключаться между ними в течение клеточного цикла. Бергер разработала новую математическую модель регуляции инициации репликации, учитывающую этот белковый переключатель. «Мы обнаружили, что модель на основе этого переключателя демонстрирует стабильные клеточные циклы как при низких, так и при высоких скоростях роста», — говорит она.

Однако эта модель упускает биологическое наблюдение, что DnaA связывается с сайтами титрования на хромосоме до того, как становится доступным для связывания с точкой начала репликации.

Комбинированная модель

Исследователи объединили модель переключателя с моделью титрования. «К нашему удивлению, комбинированная модель оказалась более устойчивой, чем модели, основанные на каждом механизме по отдельности. Даже при внесении шума, всегда присутствующего в биологических системах, клеточные циклы оставались стабильными при любых скоростях роста», — поясняет Бергер.

Таким образом, моделирование предсказывает, что репликация ДНК контролируется как титрованием, так и активацией. Включая или выключая части модели, эти предсказания теперь можно проверить в биологических экспериментах.

Синтетическая клетка

Исследование Бергер является частью программы NWO BaSyC (Building a Synthetic Cell), целью которой является создание автономной, самовоспроизводящейся клетки из неживых молекулярных компонентов. В программе участвуют учёные из пяти голландских университетов и различных групп AMOLF с backgrounds в физике, химии, биологии и даже философии.

«Создавая работающую клетку снизу вверх, мы надеемся не только лучше понять, как работает жизнь, но и найти решения, когда она не работает. Например, лучшее знание о том, как растут и делятся бактерии, может быть использовано для разработки более умных антибиотиков. С помощью наших исследований моделей клеточного цикла мы надеемся получить представление о том, как клетки создают свои надёжные копии в природе, что в конечном итоге можно будет реализовать в искусственной клетке», — говорит Бергер.