Бактерии любой формы находят место для деления с помощью принципа Тьюринга

Ученые из Кавли-института нанонаук Делфтского университета впервые использовали нанотехнологии, чтобы вырастить живые бактерии E.coli в необычных формах: квадратов, треугольников, кругов и даже в виде букв, складывающихся в слова 'TU Delft'. Также им удалось создать увеличенные E.coli с объемом в тридцать раз больше обычного. Эти бактерии странной формы позволяют по-новому изучать распределение белков и ДНК внутри клетки.

В статье в Nature Nanotechnology ученые описывают, как эти бактерии произвольной формы все равно точно находят «середину себя» для деления. Оказалось, они делают это с помощью белков, которые определяют форму клетки на основе математического принципа, предложенного пионером информатики Аланом Тьюрингом в 1953 году.

Деление клетки

«Если клетки не могут правильно делиться, биологическая жизнь невозможна. Клеткам нужно равномерно распределить свой объем и генетический материал между дочерними клетками для размножения», — говорит профессор Сес Деккер. «Удивительно, что даже одноклеточный организм знает, как делиться очень точно. Ключевую роль в регуляции этого играет распределение определенных белков в клетке, но как именно эти белки это делают?»

Тьюринг

Как показала работа ученых, ключом является процесс, открытый Аланом Тьюрингом в 1953 году. Его «теория реакция-диффузия» предсказывает, как пространственные и временные паттерны возникают в результате всего двух молекулярных взаимодействий, объясняя, например, как у зебры появляются полосы или как у эмбриона развиваются пять пальцев на руке.

MinD и MinE

Такой процесс Тьюринга работает и с белками внутри отдельной клетки, регулируя деление. Клетка E.coli использует два типа белков, MinD и MinE, которые связываются и снова отсоединяются от внутренней поверхности бактерии, осциллируя от одного полюса к другому каждую минуту.

«В результате средняя концентрация белка в середине оказывается низкой, а на концах — высокой, что направляет машинерию деления в центр клетки», — говорит аспирант Фабай У, проводивший эксперименты. «Как показывают наши опыты, паттерны Тьюринга позволяют бактерии определить свои оси симметрии и центр. Это применимо ко многим формам бактериальных клеток, которые мы создали, — квадратам, треугольникам, прямоугольникам разных размеров. Ради интереса мы даже сделали буквы 'TUDelft' и 'TURING'. С помощью компьютерного моделирования мы выяснили, что способность чувствовать форму вызвана простыми взаимодействиями белков по типу Тьюринга».

Пространственный контроль для создания синтетических клеток

«Открытие этого процесса важно не только для понимания деления бактериальных клеток — что необходимо для разработки новых стратегий создания антибиотиков. Этот подход, вероятно, также будет полезен для понимания того, как клетки распределяют другие жизненно важные системы, например, хромосомы», — говорит Сес Деккер. «Конечная цель нашего исследования — полностью собрать живую клетку из искусственных компонентов, потому что только так можно по-настоящему понять, как работает жизнь. Понимание деления клетки — как процесса, который фактически разделяет клетку на две дочерние, так и части, которая пространственно регулирует эту машинерию, — является его важнейшей частью».