Zaskakująca budowa polimerów cytoszkieletu bakterii

Polimery białka FtsZ, współtworzące cytoszkielet bakterii, wcale nie są długie – odkryli naukowcy z Instytut Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Wynik zaprzecza wielu dotychczasowym pomiarom podawanym w literaturze. Dzięki użyciu nowatorskiej metody wyjaśniono również przyczynę błędów we wcześniejszych oszacowaniach – poinformowano w komunikacie Instytutu.

Szkielet cytoplazmatyczny to trójwymiarowa sieć włókien białkowych. Jej udział w masie komórki jest wyraźny i wynosi zwykle kilkanaście procent. Cytoszkielet odgrywa rolę nieco podobną do tej, jaką pełni kręgosłup u człowieka. Do najważniejszych elementów cytoszkieletu należą rurkowate struktury, zbudowane w komórkach eukariotycznych (z jądrem) z białka tubuliny, oraz włókna polimerowe. Jeszcze niedawno sądzono, że szkielet cytoplazmatyczny występuje wyłącznie w komórkach eukariotycznych. W latach 90. ubiegłego wieku odkryto jednak, że jest obecny także w bakteriach, gdzie obok tubuliny występuje jej homolog, białko FtsZ.

Białko FtsZ odgrywa ważną rolę na wczesnych etapach podziału komórki. Z tego powodu cytoszkielet prokariotów jest obiektem intensywnych badań ze strony naukowców poszukujących nowych antybiotyków. Związki chemiczne, które by atakowały strukturę cytoszkieletu, uniemożliwiałby podział komórek bakterii, a tym samym skutecznie wstrzymywałyby rozwój choroby. Efektywność poszukiwań zależy jednak m.in. od stanu wiedzy o budowie polimerów szkieletu cytoplazmatycznego.

W IChF PAN zbadano długość polimerów tworzonych przez białka FtsZ występujące w cytoszkielecie bakterii Caulobacter crescentus. Po raz pierwszy w pomiarach tego typu wykorzystano metodę dynamicznego rozpraszania światła (Dynamic Light Scattering, DLS), potwierdzając jednocześnie jej wysoką użyteczność.

Technika DLS, znana również jako spektroskopia korelacji fotonów, polega na rejestrowaniu światła rozpraszanego wskutek ruchów własnych cząsteczek, np. ruchów Browna. Rozpraszanie okazuje się tym bardziej jednorodne, im mniejsze cząsteczki występują w roztworze. DLS umożliwia zmierzenie rozmiarów cząsteczek mniejszych od mikrometra i badanie procesów zachodzących w czasie od mikrosekund do minut.

Pomiary wykonane przez grupę z IChF PAN za pomocą DLS doprowadziły do zaskakującej obserwacji. Okazało się, że typowy polimer FtsZ jest w rzeczywistości bardzo krótki. Składa się z zaledwie 9-18 monomerów, a jego całkowita długość to ok. 100 nanometrów, czyli kilkunastokrotnie mniej niż przyjmowano dotychczas na podstawie pomiarów z użyciem transmisyjnych mikroskopów elektronowych TEM.

Zmniejszając i zwiększając tempo polimeryzacji roztworu z białkiem FtsZ, badacze z IChF PAN wykazali, że podczas wylewania próbki na siatkę miedziową, stosowaną do przygotowania preparatów dla mikroskopii TEM, małe liniowe polimery zaczynają w ciągu kilku sekund tworzyć duże zlepki. Przyjęte w literaturze światowej zawyżone wartości długości polimerów w cytoszkielecie wynikały zatem z samej procedury przygotowania próbek do badań pod mikroskopami TEM.

„Nasz wynik jest nie tylko dobrze udokumentowany, ale również lepiej pasuje do obecnej wiedzy o chemicznym środowisku we wnętrzach komórek. Nanolepkość cytoplazmy w bakteriach jest nawet kilkanaście tysięcy razy większa niż wody. Gdyby polimery cytoszkieletu były długie, nie mogłyby się odpowiednio szybko przemieszczać w cytoplazmie", mówi prof. dr hab. Robert Hołyst z IChF PAN.

Opisane prace sfinansowano dzięki interdyscyplinarnemu grantowi badawczemu przyznanemu przez Human Frontier Science Program Organization oraz przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach grantu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Więcej w artykule Characterization of caulobacter crescentus FtsZ using dynamic light scattering, którego głównym autorem jest dr Sen Hou.

Na zdjęciu dr Sen Hou, główny autor badań. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski) 

(pj)