Firkanter, trekanter:Uanset deres form, bakterier kan finde ud af, hvor de skal splittes med lidt hjælp fra Alan Turing

E.coli-bakterien, en meget almindelig beboer i folks tarm, er formet som en lille stang på cirka 3 mikrometer lang. For første gang, forskere fra Kavli Institute of Nanoscience ved Delft University har fundet en måde at bruge nanoteknologi til at dyrke levende E.coli -bakterier i meget forskellige former:firkanter, trekanter, cirkler, og endda som bogstaver med 'TU Delft'. De formåede også at dyrke E.coli i superstørrelse med et volumen tredive gange større end normalt. Disse levende, underligt formede bakterier tillader studier af den interne fordeling af proteiner og DNA på helt nye måder.

I denne uges Natur nanoteknologi , forskerne beskriver, hvordan disse specialdesignede bakterier stadig formår perfekt at lokalisere 'midten af ​​sig selv' til deres celledeling. De viser sig at gøre det ved hjælp af proteiner, der fornemmer celleformen, baseret på et matematisk princip foreslået af computerpioneren Alan Turing i 1953.

Celledeling

"Hvis celler ikke kan dele sig ordentligt, biologisk liv ville ikke være muligt. Celler skal fordele deres cellevolumen og genetiske materialer ligeligt ind i deres datterceller for at formere sig." siger prof. Cees Dekker, "Det er fascinerende, at selv en encellet organisme ved, hvordan man deler sig meget præcist. Fordelingen af ​​visse proteiner i cellen er nøglen til at regulere dette, men hvordan får de proteiner det gjort?"

Turing

Som Delft-forskerens arbejde eksemplificerer, nøglen her er en proces opdaget af den berømte Alan Turing i 1953. Selvom Turing mest er kendt for sin rolle i at tyde Enigma-kodningsmaskinen og Turing-testen, virkningen af ​​hans 'reaktionsdiffusionsteori' på biologien kan være endnu mere spektakulær. Han forudsagde, hvordan mønstre i rum og tid opstår som et resultat af kun to molekylære vekselvirkninger - og forklarede for eksempel, hvordan en zebra får sine striber, eller hvordan en embryohånd udvikler fem fingre.

MinD og MinE

En sådan Turing-proces virker også med proteiner i en enkelt celle, at regulere celledeling. En E.coli-celle bruger to typer proteiner, kendt som MinD og MinE, der binder og afbinder igen og igen på den indre overflade af bakterien, dermed oscillerende frem og tilbage fra pol til pol i bakterien hvert minut. "Dette resulterer i en lav gennemsnitlig koncentration af proteinet i midten og høje koncentrationer i enderne, som driver divisionsmaskineriet til cellecentret", siger ph.d.-studerende Fabai Wu, der kørte eksperimenterne. "Som vores eksperimenter viser, Turing -mønstrene gør det muligt for bakterien at bestemme sin symmetriakse og dens centrum. Dette gælder for mange bakterielle celleformer, som vi specialdesignede, såsom firkanter, trekanter og rektangler i mange størrelser. For sjov, vi lavede endda 'TUDelft' og 'TURING' bogstaver. Ved hjælp af computersimuleringer, vi afslørede, at formsansende evner er forårsaget af simple Turing-type interaktioner mellem proteinerne."

Rumlig kontrol til opbygning af syntetiske celler

"At opdage denne proces er ikke kun afgørende for vores forståelse af bakteriel celledeling – hvilket er vigtigt i udviklingen af ​​nye strategier for antibiotika. Men tilgangen vil sandsynligvis også være frugtbar for at finde ud af, hvordan celler fordeler andre vitale systemer i en celle, såsom kromosomer", siger Cees Dekker. "Det ultimative mål i vores forskning er at være i stand til fuldstændig at bygge en levende celle af kunstige komponenter, da det er den eneste måde at gøre det på virkelig forstå, hvordan livet fungerer. At forstå celledeling - både den proces, der faktisk klemmer cellen af ​​til to døtre, og den del, der rumligt regulerer det maskineri - er en stor del af det."