_ De unde știe o bacterie că este timpul să se despartă?

Celulele bacteriene nu se trezesc într-o dimineață și decid să devină părinți. Dar există un moment în ciclul lor celular – după ce au crescut suficient și și-au replicat genomul – când s-au împărțit în două, creând noi celule care apoi repetă procesul. Ce îi spune bacteriei că este timpul să se despartă? Oamenii de știință au fost împărțiți în privința acestui subiect.

În ultimii câțiva ani, când au încercat să descopere semnalele biologice care determină momentul în care o bacterie se va diviza, oamenii de știință s-au bazat pe o tehnologie recent dezvoltată care le permite să urmărească ciclurile de viață ale unei singure celule bacteriene și ale tuturor descendenților săi timp de sute de generații. Problema este că experimentele care utilizează acest sistem au produs modele contradictorii, fiecare atribuind momentul diviziunii celulare unui factor diferit.

Într-un studiu publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, o echipă condusă de Institutul Weizmann Cercetătorii din știință au folosit raționamentul statistic pentru a dezvălui care model de diviziune celulară este cel mai plauzibil. Această metodă are avantajul de a merge direct la problema în joc – identificarea factorului cauzal al diviziunii – fără a fi nevoie să expună exact mecanismele biologice implicate.

În cercetările anterioare, oamenii de știință care urmăreau diviziunea celulelor bacteriene observaseră că celulele cresc exact cu același volum din momentul duplicării ADN-ului până la diviziunea celulei. Din aceasta, ei au dedus că procesele care spun celulei că ar trebui să se împartă în două încep în timpul etapei în care materialul genetic este duplicat.

Cu toate acestea, studiile au arătat, de asemenea, că celulele cresc exact cu același volum din din momentul nașterii lor până în momentul în care s-au despărțit. Această observație a condus la dezvoltarea unui model contradictoriu, în care numărătoarea inversă până la diviziunea celulară începe la nașterea celulei. Conform acestei abordări, o proteină de reglare începe să se acumuleze în celule de la început, setând un fel de ceas cu alarmă care să se stingă când nivelurile acestei proteine ​​ating un anumit punct.

Pentru a rezolva această contradicție, un al treilea model le-a combinat pe cele două, propunând implicarea atât a unei proteine ​​reglatoare, cât și a replicării genetice.

Aceste modele s-au bazat toate pe corelație: oamenii de știință au observat că limitele de creștere în anumite părți ale ciclului celulelor bacteriene păreau să să fie sincron cu diviziunea celulară. Dar, așa cum vă poate spune orice specializare în științe din primul an, corelația nu este cauzalitate. Adică, acumularea de proteine ​​sau replicarea ADN-ului ar putea avea loc în același timp cu semnalul de scindare, fără a avea nicio relație cauzală cu acel semnal.

Pentru a decide între cele două modele de diviziune celulară, prof. Ariel Amir de la Departamentul de Fizică a Sistemelor Complexe de la Weizmann și o echipă internațională de oameni de știință au folosit testarea independenței condiționate, un instrument statistic dezvoltat de Judea Pearl, omul de știință israeliano-american care a primit Premiul Turing pentru munca sa asupra tehnicilor implicate în această abordare. .

Cercetătorii au aplicat această testare datelor care au fost colectate, în colaborare cu Universitatea din Tennessee, din creșterea a sute de bacterii diferite E. coli în loturi diferite. Unele dintre celule au primit condiții care le-au permis să se împartă rapid, în timp ce altele au fost crescute în condiții care au dictat o creștere mai lentă. Datele au inclus calendarul diferitelor etape din ciclul de viață al celulelor, precum și dimensiunea celulelor în fiecare etapă.

Testele de independență condiționată pun întrebări „dacă-atunci” care pot dezvălui ce corelație este doar asta — o coincidență care nu implică cauzalitate. În munca condusă de Prathitha Kar, un student de cercetare la Harvard, echipa a comparat grupuri de celule bacteriene care au avut dimensiuni similare în timpul etapei de duplicare a ADN-ului, dar au avut dimensiuni diferite la naștere.

Dacă modelul care susține că momentul diviziunii celulare depinde numai de duplicarea ADN-ului este corect, atunci celulele de o dimensiune similară la duplicare s-ar împărți la un moment similar, indiferent de dimensiunea lor la naștere. Dacă modelul este greșit, totuși, și acumularea de proteine ​​de la naștere este cea care determină momentul în care celulele se vor diviza, atunci celulele cu dimensiuni diferite la naștere s-ar împărți în momente diferite și ar exista o corelație între dimensiunea la naștere și dimensiunea la naștere. timpul diviziunii.

Cercetătorii au fost surprinși să descopere că ambele modele sunt valabile, dar nu în modul în care propusese cel de-al treilea model „hibrid”. Când celulele bacteriene au crescut într-un ritm lent, numai procesele de duplicare a ADN-ului au determinat momentul în care o celulă se va diviza. Când rata de creștere a celulelor a fost, totuși, mai rapidă, situația a devenit mai complexă, iar cercetătorii au descoperit că atât procesele care au început la naștere, cât și duplicarea ADN-ului s-au combinat pentru a determina când celula se va despărți.

În sfârșit, cercetătorii au dezvăluit un indiciu vizual că diviziunea celulară a atins un punct fără întoarcere: o celulă este destinată să se împartă în două celule în momentul în care un inel începe să se formeze în centrul său.

Oamenii de știință au folosit și condițiile condiționale. testarea de independență pentru a infirma o teorie comună potrivit căreia momentul dublării ADN-ului într-o generație determină în mod rigid acest timp în următoarea. Mai degrabă, ei au arătat că procesele care au loc în celula părinte după ce duplicarea ADN-ului a început deja pot afecta momentul în care celulele fiice încep să-și reproducă propriul material genetic.

„Folosirea metodelor statistice pentru a confirma o relație cauzală ne oferă o mai bună înțelegere a proceselor de creștere și diviziune în celulele bacteriene”, spune Amir. „Testele de independență condiționată au fost utilizate în mod obișnuit în domenii precum epidemiologie, economie și așa mai departe. Cred că capacitatea de a caracteriza procesele de creștere și reproducere a unei game largi de agenți patogeni va deschide calea pentru dezvoltarea de antibiotice mai eficiente în viitor. ."

(Fluierul)