Обнаружен неизвестный ранее режим роста бактерий

Бактерии как одноклеточные организмы размножаются делением всей клетки. Это позволяет им особенно быстро размножаться, что приводит к экспоненциальному росту популяций, известному и для патогенов. Рост популяции основан на росте отдельных клеток, который характеризуется быстрым увеличением размера и ограничен определенным максимальным размером. До сих пор считалось, что бактериальная клетка, как и её популяция, растет экспоненциально до достижения этого конечного размера.

Исследовательская группа профессора Марка Брамкампа из Кильского университета, изучающая организационные и репродуктивные механизмы бактерий, на примере Corynebacterium glutamicum показала, что бактерии могут расти в другом, двухстадийном режиме. Коринебактерии растут за счет синтеза клеточной стенки на полюсах клетки. Скорость роста полюсов после деления неодинакова: более молодой полюс растет медленнее. Из-за этой особой модели удлинения на полюсах клеточный рост сначала ускоряется, а затем переходит в стабильный линейный рост.

Необычный рост бактерий наблюден и смоделирован

Используя специальные методы визуализации и новый аналитический метод, исследователи смогли точно количественно оценить увеличение размера живых бактериальных клеток. Эти данные были включены в теоретическое моделирование, которое показало, что двухстадийный режим является результатом того, что формирование клеточной стенки на полюсах является лимитирующим процессом для роста C. glutamicum.

«Интересный аспект коринебактерий, который уже виден при микроскопии, заключается в том, что клетки делятся не всегда абсолютно симметрично. Другая особенность — новая клеточная стенка формируется не по всей длине клетки, а исключительно на её полюсах», — объясняет Фабиан Мейер, докторант группы Брамкампа.

Для характеристики этого необычного поведения исследователи разработали теоретическую модель. С помощью биофизических методов исследователям из Амстердама и Мюнхена удалось выделить средние паттерны удлинения отдельных клеток во времени.

«Расчеты показали, что клетки сначала растут все быстрее, но затем увеличение размера замедляется. В динамику роста C. glutamicum как бы встроено ограничение скорости», — объясняет профессор Чейз Бродерсз. Модель показала двухэтапный рост бактериальных клеток, который исследователи описывают как асимптотически линейный. «Лимитирующим фактором для перехода к линейному росту является тип формирования клеточной стенки, который отличает C. glutamicum от других бактерий».

Теоретическое предсказание было подтверждено на живых бактериях: у бактерий, у которых искусственно отключили центральный, но избыточный фермент роста, замедляя лимитирующий фактор, наблюдаемые кривые роста показали общее снижение скорости удлинения при сохранении двух стадий роста, что соответствовало теоретическим прогнозам.

Выводы об эволюции бактерий

«Моделирование точно предсказывает результаты in vivo экспериментов, воспроизводя особенности роста отдельных клеток C. glutamicum. Результаты также предлагают эволюционную интерпретацию механизмов роста», — резюмирует профессор Брамкамп.

В случае бактерий это относится, прежде всего, к длине клетки, распределение которой в популяции должно быть относительно узким. «Наши результаты показывают, что распределение длин клеток при асимптотически линейном росте уже, чем при экспоненциальном росте. Особый режим C. glutamicum, переходящий в линейный рост, может служить заменой строгой регуляции длины деления, поскольку такой линейный рост менее чувствителен к флуктуациям. Поэтому этим бактериям, возможно, не нужен собственный механизм контроля роста, как у других бактерий».

Результаты исследования опубликованы в научном журнале eLife.