大肠杆菌繁殖的新模型

通过新模型，AMOLF研究人员揭示了细菌等单细胞生物如何协调生长、细胞分裂和DNA复制。细菌通过生长和细胞分裂繁殖。在每个生长和分裂周期，即所谓的细胞周期中，细胞需要准确地复制所有细胞成分一次。

细胞如何实现这一目标一直是该领域长期存在的问题。博士AMOLF的学生MareikeBerger和PieterReintenWolde教授现在开发了一个数学模型，可以提供解释。他们的发现发表在《自然通讯》上。

几十年来，细菌如何“知道”何时复制其DNA的问题一直困扰着科学家。“对模式生物大肠杆菌的第一次定量实验可以追溯到1950年代，我们仍然不知道这些细菌如何确保它们稳定繁殖，”Berger说。

单细胞显微镜的最新发展使研究人员能够观察单个细胞并在它们生长和分裂时观察它们。

似乎大肠杆菌遵循一些基本规则，Berger解释说，“细菌通过不断增加其体积来生长。当细菌达到明确定义的体积时，它开始新一轮的DNA复制。这个简单的规则确保细胞“在每个分裂周期中精确地复制一个染色体。但我们仍然不了解的是细胞如何测量自己的体积，以便它知道何时开始新一轮的DNA复制。”

起始蛋白

新一轮的复制总是从染色体上的一个特定位点开始，即所谓的复制起点。从生物学实验中可以清楚地看出，打开染色体需要与起源结合的激活蛋白(DnaA)。然而，这种蛋白质也可以与染色体上的其他位点强烈结合。

Berger说：“在1990年代，这些信息被用来设计所谓的滴定模型，其中DnaA首先与这些滴定位点结合，只有当所有这些位点都饱和时，它才会开始与原点结合“新一轮的复制。我们在不同的生长条件下测试了这种滴定模型，令我们惊讶的是，它只能在低生长率下产生稳定的细胞周期。”

“然而，大肠杆菌的生长速度甚至比复制整个染色体所需的时间还要快。在如此快的生长速度下，必须有另一种机制使细菌保持其细胞周期稳定。”

蛋白质激活开关

许多实验表明，激活蛋白DnaA可以采取活性和非活性形式，并且它在细胞周期过程中通过多种机制从一种状态切换到另一种状态。因此，Berger开发了一种新的复制起始调控数学模型，该模型将这种蛋白质激活开关考虑在内。“我们发现基于这种蛋白质激活开关的模型在低和高增长率下表现出稳定的细胞周期，”她说。

然而，转换模型忽略了DnaA在可用于结合起源之前与染色体上的滴定位点结合的生物学观察。

“因此，我们将开关模型与滴定模型结合起来，令我们惊讶的是，组合模型比仅基于任一机制的模型更稳健。即使我们引入了噪声——这总是存在于生物系统中——细胞周期仍然保持稳定，无论是低增长率还是高增长率，”伯杰说。

“因此，我们的模型预测DNA复制受滴定和激活的控制。通过打开或关闭我们模型中的部分，这些预测现在可以通过生物实验进行测试，以便我们最终发现细菌如何调节它们的细胞周期。”

合成细胞

Berger的研究是NWO计划BaSyC(构建合成细胞)的一部分，该计划旨在从无生命的分子构件中制造出自主、自我复制的细胞。来自五所荷兰大学和各种AMOLF小组的研究人员参与了该计划。他们有物理学、化学、生物学甚至哲学的背景。

伯杰说：“通过自下而上的方法创建一个工作细胞，我们不仅希望更好地了解生命是如何运作的，而且还希望在它不起作用时找到解决方案。例如，更好地了解细菌如何生长和分裂“可用于开发更智能的抗生素。通过我们自己对细胞周期模型的研究，我们希望能够深入了解细胞如何在自然界中制造强大的自身副本，最终可以在人造细胞中实施。”