Come i batteri controllano il loro ciclo cellulare

I ricercatori del Biozentrum dell'Università di Basilea hanno dimostrato come i batteri coordinano la divisione cellulare con la replicazione del loro materiale genetico.

In uno studio interdisciplinare spiegano perché l'attuale concetto di ciclo cellulare batterico debba essere riscritto. I risultati sono stati pubblicati su eLife. (1)

Ogni cellula vivente cresce e si divide, generando così nuove cellule. Questo processo è anche noto come ciclo cellulare. A rigor di termini, descrive una ripetizione periodica di due cicli coordinati: la duplicazione delle informazioni genetiche di una cellula da un lato e la divisione cellulare dall'altro. Sebbene il ciclo cellulare nelle cellule vegetali e animali sia stato chiarito in modo abbastanza preciso negli ultimi decenni, non è ancora chiaro come questi due processi siano coordinati nei batteri.

La replicazione del DNA controlla i tempi del ciclo cellulare

Anche se è naturale pensare che il ciclo cellulare inizi con la nascita della cellula e termina con la successiva sua divisione, la nuova ricerca sostiene un cambiamento importante in questo concetto. I risultati, ottenuti dal team scientifico, mostrano che nei batteri il ciclo cellulare inizia e termina con l'inizio della replicazione del DNA, con l'evento di divisione cellulare che si verifica tra due eventi di replicazione del DNA.

I ricercatori, guidati dal Professor Erik van Nimwegen (2) presso il Biozentrum dell'Università di Basilea, hanno utilizzato un approccio altamente interdisciplinare che combina microfluidica, microscopia time-lapse automatizzata, sofisticata analisi delle immagini e modellazione computazionale.

Essi hanno osservato il comportamento delle singole cellule di E. coli per lunghi periodi di tempo e hanno quantificato sistematicamente molteplici variabili che descrivono la crescita, la divisione cellulare e la replicazione del DNA per migliaia di cicli cellulari in diverse condizioni di crescita. La modellazione computazionale è stata quindi applicata a questi dati per scoprire i meccanismi di controllo del ciclo cellulare.

Il dottor Thomas Julou, (3) capo dello studio, spiega: “il nostro modello indica che il ciclo cellulare in E. coli inizia con l'inizio della replicazione del DNA, a quel punto iniziano a correre due diversi contatori; uno che determina quando deve avvenire la successiva divisione cellulare e l'altro che determina quando la prossima iniziazione della replicazione del DNA dovrebbe accadere. Anche se non abbiamo ancora identificato le basi molecolari di questi due contatori, la biomassa prodotta dall'ultimo azzeramento del contatore sembra essere la variabile che controlla quando si verificano i successivi eventi di divisione e replicazione.”

Studiare le fluttuazioni per rivelare i meccanismi di controllo

Contrariamente agli approcci di biologia molecolare classica in cui vengono analizzati gli effetti delle mutazioni, il presente studio utilizza un nuovo approccio in cui viene utilizzata l'analisi delle sottili fluttuazioni che normalmente mostrano le cellule in crescita per inferire come viene controllato il processo sottostante.

“Una delle maggiori sfide è stata lo sviluppo di metodi statistici per analizzare la struttura delle correlazioni nelle fluttuazioni dei parametri del ciclo cellulare come la dimensione delle cellule alla nascita”, afferma il dottor Erik van Nimwegen. “Una nuova idea chiave che abbiamo sviluppato è che, invece di cercare correlazioni tra variabili, è più informativo identificare quali variabili sembrano fluttuare indipendentemente l'una dall'altra.”

Questo approccio ha permesso agli scienziati di rivelare il meccanismo di controllo del ciclo cellulare batterico, ma questo metodo sarà generalmente applicabile allo studio di altri processi e organismi biologici.

Riferimenti:

(1) Initiation of chromosome replication controls both division and replication cycles in E. coli through a double-adder mechanism

(2) Erik van Nimwegen

(3) Thomas Julou

Descrizione foto: tempistica di batteri E. coli che crescono in un dispositivo microfluidico, con origini di replicazione del DNA visualizzate come macchie rosse. - Credit: Biozentrum, University of Basel.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How bacteria control their cell cycle