Kontrolle des Zellzyklus bei Bakterien aufgeklärt
Wie Bakterien die Zellteilung und die Verdopplung ihres Erbguts koordinieren, zeigen Forscher des Biozentrums der Universität Basel. In einer interdisziplinären Studie berichten sie in «eLife», warum das gängige Konzept zum Ablauf des Zellzyklus in Bakterien umgeschrieben werden muss.
In Mikrokapillaren wachsende E.coli-Bakterien im Zeitraffer. Die Startpunkte der DNA-Verdopplung sind als rote Punkte gekennzeichnet.
Biozentrum, University of Basel
Jede lebende Zelle wächst, teilt sich und bildet so Nachkommen. Dieser Vorgang wird auch als Zellzyklus bezeichnet. Genau genommen beschreibt er eine wiederkehrende Abfolge zweier miteinander verbundener Zyklen: die Verdopplung der Erbinformation einerseits und die Zellteilung andererseits. Während der Zellzyklus bei pflanzlichen und tierischen Zellen in den letzten Jahrzehnten recht genau aufgeklärt wurde, war bislang nicht bekannt, wie die beiden Prozesse in Bakterien koordiniert werden.
DNA-Verdopplung steuert Timing
Bisher ging man davon aus, dass der Zellzyklus mit der Geburt der Zelle beginnt und mit der nächsten Zellteilung endet. Die Ergebnisse der aktuellen Studie sprechen jedoch für eine Verschiebung dieses klassischen Konzepts. Sie zeigen, dass bei Bakterien der Zellzyklus mit der Initiierung der DNA-Replikation beginnt und erst mit der nächsten endet. Die Teilung der Zelle findet jeweils zwischen zwei DNA-Verdopplungen statt.
Forscher unter Leitung von Prof. Dr. Erik van Nimwegen am Biozentrum der Universität Basel setzten bei ihrer Arbeit auf einen interdisziplinären Ansatz, welcher Mikrofluidik, automatisierte Zeitraffer-Mikroskopie, Bildanalyse und rechnergestützten Modellierungen kombiniert. Auf diese Weise konnten sie das Verhalten einzelner E. coli-Zellen über lange Zeiträume beobachten und systematisch die Parameter quantifizieren, die das Wachstum, die Zellteilung und DNA-Replikation über Tausende von Zellzyklen unter verschiedenen Wachstumsbedingungen beschreiben. Um die Kontrollmechanismen des Zellzyklus aufzuklären, wurden die Daten anschliessend mithilfe von Computermodellierungen analysiert.
«Unser Modell besagt, dass der Zellzyklus bei E. coli mit dem Start der DNA-Replikation beginnt. An diesem Punkt fangen zwei Zähler an zu laufen, von denen der eine bestimmt, wann die nächste Zellteilung stattfindet, und der andere, wann die nächste DNA-Verdopplung erfolgt», erklärt Dr. Thomas Julou, Leiter der Studie. «Auch wenn wir die molekulare Grundlage der beiden Zähler bislang noch nicht kennen, so scheint die Biomasse, die nach dem letzten ‘Reset’ der Zähler produziert wird, jene Grösse zu sein, die das Timing von Zellteilung und DNA-Vermehrung steuert.»
Kleinste Schwankungen genutzt
Im Gegensatz zum klassischen molekularbiologischen Ansatz, bei dem die Auswirkungen von Mutationen untersucht werden, folgt die Studie einem ganz neuen Ansatz. Dabei nutzt man die kleinsten Schwankungen einzelner Parameter, die bei wachsenden Zellen immer vorkommen, um zugrundeliegende Prozesse abzuleiten.
«Eine grosse Herausforderung war es, statistische Methoden zu entwickeln, mit denen sich Zusammenhänge zwischen den Schwankungen der Parameter des Zellzyklus – wie zum Beispiel der Zellgrösse – strukturieren lassen», sagt Erik van Nimwegen. «Unsere Idee war es, herauszufinden, welche Grössen unabhängig voneinander schwanken. Dies ist viel aufschlussreicher, als nach Zusammenhängen zwischen unterschiedlichen Parametern zu suchen.» Der neuartige Ansatz ermöglichte es den Forschern, den Kontrollmechanismus des bakteriellen Zellzyklus aufzuklären. Diese Methode eignet sich aber auch für die Erforschung anderer biologischer Prozesse und Organismen.
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