Nikt nie chce być przeciętny.

Ale przez długi czas naukowcom wygodnie było myśleć o komórkach bakteryjnych jako o „przeciętnych”.

Naukowcy tradycyjnie polegali na strategiach na poziomie populacji, aby zrozumieć podstawowe aspekty fizjologii bakterii. Te podejścia na poziomie populacji opisują zachowanie wyidealizowanych przeciętnych komórek i służą jako podstawa dla dominujących modeli wzrostu bakterii.

Modele oparte na przeciętnej komórce są przydatne, ale mogą niedokładnie opisywać, jak naprawdę działają poszczególne komórki. Nowe możliwości otworzyły się wraz z pojawieniem się technologii jednokomórkowego obrazowania na żywo. Teraz można zajrzeć w życie poszczególnych komórek. W nowym artykule w Genetyka PLOSzespół biologów i fizyków z Washington University w St. Louis i Purdue University wykorzystał rzeczywiste dane dotyczące pojedynczych komórek, aby stworzyć zaktualizowane ramy do zrozumienia związku między wzrostem komórek, replikacją DNA i podziałem w systemie bakteryjnym.

Petra Levin, profesor biologii na Uniwersytecie Waszyngtońskim, George William i Irene Koechig Freiberg, autorka nowego artykułu, żywo interesuje się biologią pojedynczych komórek. W swojej pracy badawczej Levin wniosła znaczący wkład w nasze rozumienie wzrostu komórek bakteryjnych.

Przypadkowe spotkanie w Aspen Center for Physics zaowocowało współpracą ze Srividyą Iyer-Biswasem, fizykiem z Purdue University, posiadającym doświadczenie zarówno w teorii fizyki opartej na pierwszych zasadach, jak i precyzyjnych eksperymentach z pojedynczymi komórkami.

Wykorzystując erę Zoom, którą przyniosły pierwsze dni pandemii, Levin i Iyer-Biswas rozwinęli wirtualną współpracę, aby ponownie przyjrzeć się niektórym „pięknym, klasycznym modelom bakteryjnego cyklu komórkowego”, jak opisuje ich Levin.

Odkryli, że brakuje ekscytujących fragmentów.

Na czym polegał problem? Modele opierały się na zachowaniu „przeciętnej” komórki w populacji. Ale użycie średniej do wywnioskowania, co robi rzeczywista komórka, może być mylące.

„Wyobraź sobie, że każda bakteria śpiewa swoją kapryśną melodię, podążając za własnym rytmem” – powiedział Iyer-Biswas. „Zbiorowość – populacja milionów komórek – ma swoją własną muzykę, w której żaden pojedynczy głos się nie wyróżnia, ale mimo to wyłania się piosenka. Słuchając tylko zbiorowego wykonania, jak można odkryć, co dokładnie może mieć piosenka jednostki być? To jest problem, przed którym stanęliśmy”.

To, co jest prawdziwe dla przeciętnej komórki, niekoniecznie jest prawdziwe dla pojedynczej komórki. Bakterie są pod tym względem takie same jak my!”

Petra Levin, George William i Irene Koechig Freiberg profesor biologii w sztuce i nauce na Uniwersytecie Waszyngtońskim

W tym nowym artykule Levin i Iyer-Biswas współpracowali z Sarą Sanders, naukowcem ze stopniem doktora w laboratorium Levina, który niedawno przeniósł się do National Institutes of Health (NIH), oraz Kunaalem Joshim, doktorantem w laboratorium Iyer-Biswas, odpowiedzieć na jedną podstawową kwestię.

Chcieli dowiedzieć się, w jaki sposób te „kapryśne” pojedyncze komórki bakteryjne -; lub, jak mógłby powiedzieć bardziej typowy fizyk, te komórki stochastyczne -; udało im się doskonale skoordynować replikację DNA ze wzrostem i podziałem, tak aby wszystkie zdarzenia zachodziły we właściwej kolejności, pomimo „hałasu” każdego procesu.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, autorzy uważnie przyjrzeli się danym dotyczącym wzrostu pojedynczych komórek z organizmu modelowego Escherichia coli zebrane przez laboratorium Jun na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Następnie skonstruowali minimalny model matematyczny, który uchwycił złożone, stochastyczne zachowania poszczególnych komórek i dokładnie dopasował dane poszczególnych komórek.

Opierając się na przeciętnym zachowaniu komórki, inni doszli do wniosku, że podstawowe etapy cyklu komórkowego replikacji DNA i podziału komórki są od siebie zależne. Ale Levin i Sanders widzieli to inaczej.

„Dziesięciolecia badań genetycznych i molekularnych wskazują, że chociaż replikacja i podział DNA są wyraźnie skoordynowane, nie są od siebie zależne” – powiedział Levin. „Dopóki istnieją mechanizmy zapobiegające podziałowi między nieskopiowanymi chromosomami lub naprawiające sytuację w mało prawdopodobnym przypadku, który się wydarzy, wszystko jest w porządku. E coli nie ma punktów kontrolnych cyklu komórkowego, jak komórki eukariotyczne”.

W międzyczasie Iyer-Biswas i Joshi zdali sobie sprawę, że istnieje prosty sposób na zrozumienie danych dotyczących poszczególnych komórek. Każda komórka ma trzy niezależne (stochastyczne) zegary (odpowiednik kapryśnej melodii z góry), które zaczynają tykać za każdym razem, gdy rozpoczyna się replikacja DNA, i których aranżacja określa kolejność zdarzeń cyklu komórkowego.

Wychodząc od tego prostego pomysłu, Joshi odkrył, że może przewidzieć sekwencję inicjacji replikacji DNA, koniec replikacji DNA i podział na podstawie tego, kiedy trzy zegary niezależnie wyłączają się i resetują. Jego przewidywania idealnie pasowały do ​​istniejących danych na temat replikacji DNA poszczególnych komórek i podziałów komórek w wielu różnych warunkach wzrostu.

Opisując stochastyczny, a nie deterministyczny związek między replikacją DNA a podziałem komórki, autorzy zmienili sposób, w jaki naukowcy rozumieją podstawowy proces w biologii komórki.

„Naszym ostatecznym celem jest zbudowanie społeczności wokół wysoce precyzyjnych podejść w biologii, które płynnie integrują teorię i eksperyment” – powiedział Iyer-Biswas. „Bardziej bezpośrednim celem jest przekroczenie szczegółów specyficznych dla systemu i zapewnienie ujednoliconych ram, które mają zastosowanie również do innych gatunków bakterii”.