За пределами средней клетки: Новый подход к пониманию роста, репликации и деления бактерий

Долгое время учёные для удобства рассматривали бактериальные клетки как «средние», полагаясь на популяционные методы. Модели, основанные на усреднённой клетке, полезны, но могут не отражать реальную работу отдельных клеток.

С появлением технологий визуализации отдельных живых клеток открылись новые возможности. В новой статье в PLOS Genetics команда биологов и физиков из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Пердью использовала реальные данные по отдельным клеткам, чтобы создать обновлённую модель понимания взаимосвязи между ростом клетки, репликацией ДНК и делением в бактериальной системе.

Биолог Петра Левин и физик Срвидья Айер-Бисвас начали сотрудничество, чтобы пересмотреть классические модели клеточного цикла бактерий. Они обнаружили, что модели, основанные на поведении «средней» клетки в популяции, могут вводить в заблуждение.

«Представьте, что каждая бактерия поёт свою причудливую мелодию, следует своему ритму», — сказала Айер-Бисвас. — «Коллектив — популяция из миллионов клеток — имеет свою собственную музыку... Как, услышав только коллективное исполнение, можно раскрыть, какой именно может быть песня отдельного человека?»

Авторы задались вопросом, как эти стохастические (случайные) отдельные клетки Escherichia coli координируют репликацию ДНК с ростом и делением, чтобы события происходили в правильной последовательности, несмотря на «шумность» каждого процесса.

Проанализировав данные по росту отдельных клеток, исследователи построили минимальную математическую модель, которая описывает сложное стохастическое поведение отдельных клеток и точно соответствует данным.

Основываясь на поведении средней клетки, другие учёные рассматривали основные этапы клеточного цикла (репликация ДНК и деление клетки) как зависимые друг от друга. Однако авторы новой работы с этим не согласны.

«Десятилетия генетических и молекулярных исследований показывают, что, хотя репликация ДНК и деление явно скоординированы, они не зависят друг от друга», — сказала Левин.

Айер-Бисвас и аспирант Кунаал Джоши поняли, что данные по отдельным клеткам можно объяснить просто: у каждой клетки есть три независимых (стохастических) таймера, которые начинают тикать каждый раз при начале репликации ДНК. Их согласование определяет последовательность событий клеточного цикла.

Исходя из этой простой идеи, Джоши смог предсказать последовательность инициации репликации ДНК, окончания репликации ДНК и деления на основе того, когда три таймера независимо срабатывают и сбрасываются. Его предсказания идеально совпали с существующими данными по репликации ДНК и делению отдельных клеток во многих различных условиях роста.

Описывая стохастическую, а не детерминированную связь между репликацией ДНК и делением клетки, авторы изменили понимание учёными этого базового процесса в клеточной биологии.

«Наша конечная цель — создать сообщество вокруг высокоточных подходов в биологии, которые бесшовно интегрируют теорию и эксперимент», — сказала Айер-Бисвас. — «Более непосредственная цель — выйти за рамки специфических для системы деталей и предоставить унифицирующую основу, применимую и к другим видам бактерий».