Молекулярная движущая сила мотора клеточного деления

Все живые клетки должны расти и делиться, чтобы размножаться. Размножение бактерий обычно происходит посредством так называемого бинарного деления. Это позволяет достичь особенно быстрого роста и является причиной, по которой бактерии, включая патогенные микроорганизмы, могут размножаться экспоненциально.

Молекулярные механизмы клеточного деления очень сложны и до конца не изучены. Важный вопрос в этой области — как создается сила, необходимая для деформации клеточной мембраны и, следовательно, для деления клетки, и как она воздействует на клеточную оболочку.

Исследовательская группа профессора Марка Брамкампа из Кильского университета в сотрудничестве с группой профессора Петры Швилле из Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде на примере бактерии Escherichia coli получила новые данные о роли молекулы клеточного деления FtsZ в инициации этого процесса. Междисциплинарная команда показала, что FtsZ может генерировать силу для деформации мембраны с помощью процесса, известного как «бег по дорожке» (treadmilling), и таким образом инициировать процесс клеточного деления. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Крутящий момент деформирует клеточную мембрану

Перед делением бактериальной клетки многослойная клеточная оболочка, состоящая из мембраны и клеточной стенки, должна удвоиться в месте деления. Клетка также находится под осмотическим внутренним давлением (тургором). Чтобы клетка не лопнула во время деления, стабильность оболочки должна сохраняться.

Исходной точкой исследования стали результаты, полученные группой из Мартинсрида на модельной системе: они доказали в принципе, что деформация мембраны, вызванная модифицированным белком FtsZ в пробирке, действительно является физической силой и может быть измерена.

Ученые из Киля проверили эти принципы на живой клетке. Сначала они удалили клеточную стенку у клеток E. coli и перенесли их в изотоническую среду, где они могут выживать без внутреннего давления. Это позволило подтвердить, что заякоривание белка FtsZ к мембране действительно происходит in vivo, что является предпосылкой для передачи силы.

Затем исследователи изучили, как механизм «бега по дорожке» функционально воздействует на бактериальную мембрану. Белок FtsZ образует кольцевую структуру, к которой могут присоединяться другие ферменты, необходимые для деления. При этом строительные блоки непрерывно включаются в структуру филамента, а другие высвобождаются на противоположном конце, так что вся структура виртуально вращается по кругу.

С помощью трехмерной флуоресцентной микроскопии ученые подтвердили, что сила, создаваемая FtsZ, действительно возникает в присутствии всех других белков живой клетки так же, как и в модели. Они напрямую наблюдали, как белок отщипывает отдельные компоненты мембраны, инициируя необходимое для деления изменение ее направления.

Таким образом, командам удалось доказать, что динамика белка FtsZ действительно оказывает силу на мембрану в живом организме, и этой силы достаточно, чтобы согнуть мембрану.

Изучение клеточной самоорганизации с помощью визуализации

Новые результаты демонстрируют ценность междисциплинарного сотрудничества: только совместные усилия биофизиков и молекулярных биологов позволили расшифровать еще один строительный блок молекулярной архитектуры жизни.

С точки зрения кильской группы, ключевую роль снова сыграло применение методов микроскопии: «Наши методы визуализации, в данном случае трехмерная флуоресцентная микроскопия, позволяют получить представление о процессах жизни, выходящее далеко за рамки биохимического анализа», — говорит профессор Брамкамп. «Биохимически связывание белка FtsZ с энергоносителем приводит к высвобождению энергии. Только наблюдение за белком в живой клетке позволяет понять эффект этого высвобождения энергии — который в данном случае проявляется в деформации клеточной мембраны».

В целом, это исследование вносит вклад в усилия группы по выявлению общеприменимых принципов биологического паттернообразования, которое имеет центральное значение в биологии, например, при развитии сложных многоклеточных организмов.