Vierkant, driehoek, cirkel: ongeacht hun vorm weten bacteriën waar ze moeten delen

Artistieke weergave van levende E.coli bacteriën die de vorm hebben gekregen van een rechthoek, driehoek, cirkel en vierkant (van voor naar achteren). Kleuren geven de dichtheid aan van de Min eiwitten en zijn een snapshot in de tijd (gebaseerd op gemeten data), aangezien deze eiwitten heen en weer bewegen in de bacterie, om precies het midden te bepalen voor de celdeling. Image credit: ‘Image Cees Dekker lab TU Delft / Tremani'

De E.coli-bacterie, een bewoner van onze menselijke darmen, heeft de vorm van een staafje van 3 micrometer lang. Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft, zijn er voor het eerst in geslaagd om individuele E.coli bacteriën te laten groeien in heel andere vormen: vierkantjes, driehoekjes, cirkels, en zelfs in de vorm van de letters van ‘TU Delft’. Ze kweekten ook ‘super-E.coli’ die wel dertig keer groter waren dan normaal. Met deze wonderlijke, maar springlevende bacteriën konden ze de interne verdeling van eiwitten en DNA op een geheel nieuwe manier onderzoeken.

In het blad Nature Nanotechnology van deze week publiceren de wetenschappers hoe deze zelf ontworpen bacteriën nog steeds perfect in staat blijken te zijn om te bepalen waar hun eigen midden is, cruciaal voor celdeling en vermenigvuldiging. De cellen gebruiken daarvoor eiwitten die de celvorm aftasten, volgens een wiskundig principe dat de beroemde computerpionier Alan Turing in 1953 ontdekte.

Celdeling
“Biologisch leven zou niet mogelijk zijn als cellen zich niet op de juiste manier zouden kunnen splitsen. Cellen moeten hun celvolume en genetisch materiaal over hun dochtercellen verdelen om zich effectief te kunnen vermenigvuldigen”, stelt prof. Cees Dekker. “Het is fascinerend dat een eencellig organisme precies weet waar hij zichzelf moet delen. We weten dat de verdeling van bepaalde eiwitten binnen de cel daarvoor de sleutel is, maar de grote vraag was hoe die eiwitten zich zo weten te verdelen?”

Alan Turing
De Delftse wetenschappers laten zien dat de sleutel een proces is dat al ontdekt was door de beroemde wiskundige Alan Turing in 1953. Hij is vooral bekend door zijn rol bij de ontcijfering van de beroemde Enigma codeermachine en van de ‘Turing Test’, maar zijn invloed op de biologie is zeker zo spectaculair. Zijn ‘reactie-diffusiemechanisme’ voorspelt hoe patronen in ruimte en tijd ontstaan, als gevolg van de interactie tussen slechts twee moleculen. Dit verklaart onder andere hoe een zebra strepen krijg, en hoe een embryonale hand vijf vingers ontwikkelt.

MinD en MinE
Een dergelijk Turing proces, met twee eiwitten, speelt ook binnen in een cel en bepaalt waar een cel zich deelt. Een E.coli bacterie gebruikt twee eiwitten, MinD en MinE genaamd, die zich beurtelings verbinden en weer losmaken van de wand. Dit veroorzaakt een oscillatie waar de eiwitten zich elke minuut van de ene kant naar de andere kant verplaatsen. “Het netto resultaat is een lage concentratie van het eiwit in het midden, en hoge concentraties aan de uiteinden, en dat zorgt ervoor dat de celdelingsactiviteit precies in het midden optreedt’, zegt promovendus Fabai Wu, die de experimenten uitvoerde. “Onze experimenten laten zien dat de Turing-patronen de bacterie in staat stellen zijn symmetrieassen en zijn eigen midden te bepalen. Dit werkte bij alle vormen waarin we de bacteriën ontwierpen, zoals vierkantjes, driehoekjes en rechthoekjes van verschillend formaat. Ter illustratie maakten we zelfs de letters TUDELFT en TURING. Met computersimultaties ontdekten we dat de vormdetectie werd veroorzaakt door eenvoudige Turing-interacties van de eiwitten.”

Gemeten data voor levende E.coli bacteriën die de vorm hebben gekregen van de letters TUDELFT. De rode kleur geeft de inhoud van de cellen weer. De groene kleur geeft de Min eiwitten aan en zijn een snapshot in de tijd, aangezien deze eiwitten heen en weer bewegen in de bacterie, om precies het midden te bepalen voor de celdeling. De letters zijn ongeveer 5 micrometer hoog. Image credit: ‘Fabai Wu, Cees Dekker lab at TU Delft’

Van antibiotica tot synthetische cellen
“De ontrafeling van dit proces is essentieel voor het goed begrijpen van het celdelingsproces van bacteriën, wat naar nieuwe vormen van antibiotica zou kunnen leiden. Daarnaast kan deze aanpak ook vruchtbaar blijken om te begrijpen hoe cellen andere vitale systemen distribueren, chromosomen bijvoorbeeld”, zegt Cees Dekker. “Het ultieme doel is om kunstmatig een levende cel te bouwen die geheel uit onderdelen bestaat, want dat is de enige manier is om echt wezenlijk te begrijpen hoe leven werkt. Begrijpen hoe celdeling werkt, zowel het proces waarmee de cel zich splits als de manier waardoor de cel weet waar die deling moet plaatsvinden, is daarbij een essentiële stap”.