Neues Modell zur Vermehrung von E. coli-Bakterien

Mit einem neuen Modell zeigen AMOLF-Forscher, wie Einzeller wie Bakterien Wachstum, Zellteilung und DNA-Replikation koordinieren. Bakterien vermehren sich durch Wachstum und Zellteilung. In jedem Wachstums- und Teilungszyklus, dem sogenannten Zellzyklus, muss die Zelle alle Zellbestandteile genau einmal kopieren.

Wie die Zelle dies erreicht, ist seit langem eine Frage auf diesem Gebiet. Ph.D. Studentin Mareike Berger und Professor Pieter Rein ten Wolde von AMOLF haben nun ein mathematisches Modell entwickelt, das eine Erklärung bietet. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturkommunikation.

Die Frage, woher ein Bakterium „weiß“, wann es Zeit ist, seine DNA zu kopieren, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrzehnten. „Die ersten quantitativen Experimente mit dem Modellorganismus E. coli stammen aus den 1950er Jahren und wir wissen noch immer nicht genau, wie diese Bakterien dafür sorgen, dass sie sich stabil vermehren“, sagt Berger.

Jüngste Entwicklungen in der Einzelzellmikroskopie ermöglichen es Forschern, einzelne Zellen zu betrachten und sie zu beobachten, während sie wachsen und sich teilen.

Es scheint, dass E. coli einigen Grundregeln folgt, erklärt Berger, „das Bakterium wächst, indem es sein Volumen kontinuierlich vergrößert. Wenn das Bakterium ein genau definiertes Volumen erreicht, beginnt es eine neue Runde der DNA-Replikation. Diese einfache Regel stellt sicher, dass Zellen produzieren genau eine Kopie des Chromosoms während jedes Teilungszyklus. Aber was wir immer noch nicht verstehen, ist, wie die Zelle ihr eigenes Volumen misst, damit sie weiß, wann sie eine neue Runde der DNA-Replikation beginnen muss.“

Initiatorprotein

Eine neue Replikationsrunde beginnt immer an einer bestimmten Stelle auf dem Chromosom, dem sogenannten Replikationsursprung. Aus biologischen Experimenten geht hervor, dass zum Öffnen des Chromosoms ein Aktivatorprotein (DnaA) erforderlich ist, das an den Ursprung bindet. Dieses Protein kann jedoch auch stark an andere Stellen auf dem Chromosom binden.

Berger sagt: „In den 1990er Jahren wurde diese Information verwendet, um das sogenannte Titrationsmodell zu entwickeln, bei dem DnaA zuerst an diese Titrationsstellen bindet und erst dann, wenn alle diese Stellen gesättigt sind, beginnt, an den Ursprung zu binden eine neue Replikationsrunde. Wir haben dieses Titrationsmodell unter verschiedenen Wachstumsbedingungen getestet und zu unserer Überraschung festgestellt, dass es nur bei niedrigen Wachstumsraten stabile Zellzyklen erzeugt.“

„E. coli kann aber sogar schneller wachsen, als es dauert, das gesamte Chromosom zu replizieren. Bei solch schnellen Wachstumsraten muss es einen anderen Mechanismus geben, mit dem die Bakterien ihre Zellzyklen stabil halten.“

Protein-Aktivierungsschalter

Viele Experimente haben gezeigt, dass das Aktivatorprotein DnaA eine aktive und eine inaktive Form annehmen kann und dass es im Laufe des Zellzyklus über mehrere Mechanismen von einem Zustand in den anderen wechselt. Berger hat daher ein neues mathematisches Modell zur Regulation der Replikationsinitiierung entwickelt, das diesen Proteinaktivierungsschalter berücksichtigt. „Wir haben festgestellt, dass ein Modell, das auf diesem Proteinaktivierungsschalter basiert, stabile Zellzyklen bei niedrigen und hohen Wachstumsraten aufweist“, sagt sie.

Das Switch-Modell übersieht jedoch die biologische Beobachtung, dass DnaA an Titrationsstellen auf dem Chromosom bindet, bevor es für die Bindung des Ursprungs verfügbar wird.

„Wir haben daher das Switch-Modell mit dem Titrationsmodell kombiniert, und zu unserer Überraschung ist das kombinierte Modell robuster als die Modelle, die nur auf einem der beiden Mechanismen basieren. Selbst wenn wir Rauschen einführten – das in biologischen Systemen immer vorhanden ist – blieben die Zellzyklen stabil , sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Wachstumsraten“, sagt Berger.

„Unsere Modellierung sagt daher voraus, dass die DNA-Replikation sowohl durch Titration als auch durch Aktivierung gesteuert wird. Indem wir Teile in unserem Modell an- oder ausschalten, können diese Vorhersagen nun mit biologischen Experimenten getestet werden, sodass wir letztendlich herausfinden können, wie Bakterien ihren Zellzyklus regulieren.“

Synthetische Zelle

Bergers Forschung ist Teil des NWO-Programms BaSyC (Building a Synthetic Cell), das darauf abzielt, aus nicht lebenden molekularen Bausteinen eine autonome, sich selbst reproduzierende Zelle herzustellen. An dem Programm arbeiten Forscher von fünf niederländischen Universitäten und verschiedenen AMOLF-Gruppen. Sie haben einen Hintergrund in Physik, Chemie, Biologie und sogar Philosophie.

Berger sagt: „Durch die Schaffung einer funktionierenden Zelle mit einem Bottom-up-Ansatz hoffen wir, nicht nur besser zu verstehen, wie das Leben funktioniert, sondern auch Lösungen dafür zu finden, wenn es nicht funktioniert. Zum Beispiel ein besseres Wissen darüber, wie Bakterien wachsen und sich teilen.“ können verwendet werden, um intelligentere Antibiotika zu entwickeln. Mit unserer eigenen Forschung an Zellzyklusmodellen hoffen wir, Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Zellen in der Natur robuste Kopien von sich selbst erstellen, die schließlich in einer künstlichen Zelle implementiert werden können.“