Исследователи обнаружили неизвестный механизм размножения у Corynebacterium glutamicum
Рабочая группа по микробной биохимии и клеточной биологии Кильского университета под руководством профессора Марка Брамкампа исследовала, как микроорганизмы воспроизводят генетическую информацию, организуя рост и размножение, на примере бактерии Corynebacterium glutamicum. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Как возникают пространственные структуры из биохимии
Многие бактерии, включая C. glutamicum, имеют характерную палочковидную форму. Чтобы понять процессы наследования и роста, исследователи изучили, как хромосомы с генами упаковываются внутри клеток и передаются дочерним клеткам в течение клеточного цикла.
- Бактерии размножаются делением и должны реплицировать свою генетическую информацию.
- Для распределения реплицированной генетической информации бактерия использует белок ParB (от "partitioning").
- Этот белок связывает хромосомы со специфической последовательностью ДНК и прикрепляет их к клеточным полюсам — обоим концам палочковидной бактерии. Каждая хромосома связана с конкретным полюсом.
- Вопреки прежним представлениям о бактериях, коринебактерии имеют две копии каждого гена, как и большинство позвоночных, включая человека.
- С помощью ParB и белка-партнера ParA дуплицированные хромосомы перемещаются поверх существующих хромосом.
"Бактериальная хромосома важна также как структурный элемент для организации клетки, а не только для хранения генетической информации", — пояснил Брамкамп. — "Мы смогли показать, что у этой бактерии репликация хромосом по сути начинается у клеточных полюсов, и новая ДНК транспортируется оттуда к центру клетки, что обеспечивает особенно эффективное разделение".
Хромосома — это нить ДНК, во много раз превышающая размер бактериальной клетки. Для упаковки генетической информации в клетке необходима ее конденсация. В этом процессе участвуют конденсиновые комплексы — специфические ферментные комплексы, которые помогают в организации хромосом и добавляются к ДНК белком ParB.
Исследователи обнаружили, что в C. glutamicum присутствуют два разных конденсиновых комплекса, но оба не участвуют в упаковке генетической информации. Вместо этого недавно открытая конденсиновая система регулирует размножение так называемых плазмид в бактериальных клетках.
- Плазмиды — это генетические элементы в форме кольцевой ДНК, присутствующие в бактериальной клетке вне хромосом.
- Они важны, например, для горизонтального переноса генов — обмена генетической информацией между разными видами микробов.
- Это позволяет распространяться генам антибиотикорезистентности и так называемым факторам вирулентности, определяющим патогенный эффект бактерии.
Визуализация процессов жизни с высоким разрешением
В исследовании использовалась инновационная методика микроскопии локализации одиночных молекул (SMLM), позволяющая визуализировать отдельные молекулы с точностью до 20 нанометров.
"Таким образом мы смогли сделать видимыми ранее неизвестные наноструктуры, участвующие в организации бактериальной хромосомы", — отметил аспирант Джакомо Джакомелли. — "Возможность наблюдать и исследовать процессы по мере их протекания в живом организме открывает совершенно новые перспективы для понимания задействованных молекулярных механизмов".
Научная и практическая значимость
C. glutamicum, ранее почти не изученная в этом контексте, потенциально представляет собой новый модельный организм для исследования бактериальных процессов жизни.
Это открывает перспективы в экономическом и медицинском плане:
- В биотехнологическом производстве C. glutamicum играет важную роль в производстве аминокислот.
- Она тесно связана с определенными патогенами, такими как возбудитель туберкулеза Mycobacterium tuberculosis.
Понимание процессов жизни, и в частности размножения этой бактерии, имеет большое значение в обеих областях.