Signaal ontdekt dat celgrootte verbindt met celgroei

Nieuws - 23 februari 2022 - Communication TNW

De mechanismen die celgroei en celgrootte aan elkaar verbinden, waren tot nu toe mysterieus: in een recente publicatie in Current Biology hebben onderzoekers van de TU Delft en AMOLF ontdekt dat het signaalmolecuul ppGpp essentieel is voor het reguleren van celgrootte. Verrassend genoeg ontdekten zij ook dat cellen hun grootte aanpassen aan concentraties van ppGpp, in plaats van alleen aan de groeisnelheid.

Jarenlange observatie laat zien dat bacteriële cellen groter zijn wanneer ze snel groeien, en kleiner wanneer ze langzaam groeien. Maar hoe verbinden cellen hun grootte met groeisnelheid? Onderzoekers Ferhat Büke, Greg Bokinsky (beide TU Delft), en Sander Tans (AMOLF) veranderden kunstmatig de concentratie van het signaalmolecuul ppGpp (guanosinetetrafosfaat) in levende E. coli, en ontdekten zo dat celgrootte niet wordt bepaald door de groeisnelheid alleen, maar dat ppGpp bepalend is voor de koppeling tussen celgrootte en groeisnelheid.

Regelaar voor de celgrootte van bacteriën

Het kleine molecuul ppGpp staat in de bacteriële wereld al bekend als een molecuul met een buitenmaatse invloed op vele cellulaire machines en processen. Om na te gaan of ppGpp ook een rol speelt bij celgrootte, nam het onderzoeksteam films op van individuele cellen die groeiden in minuscule gefabriceerde kanalen. Dr. Büke ontdekte dat een plotse toename van ppGpp de celdelingen tijdelijk versnelt, wat de cellen snel doet krimpen, terwijl een afname van ppGpp de celdeling vertraagt, wat leidt tot grotere cellen. In beide gevallen nam de groeisnelheid van de cellen af, maar deze afname was veel langzamer dan de celdelingsreactie. Dit toont aan dat ppGpp de celgrootte zou kunnen reguleren door de timing van celdeling.

Bokinsky legt uit: "Het molecuul ppGpp verschijnt in stressvolle situaties, maar is ook belangrijk voor normale celgroei: hoe sneller een bacterie groeit, hoe minder van dit molecuul aanwezig is. Je zou verwachten dat de grootte van de bacterie alleen reageert op de veranderende groeisnelheid, maar wij vonden iets anders: de celgrootte reageert direct op concentraties ppGpp. Het is ons gelukt om de concentratie van ppGpp in bacteriën voorzichtig aan te passen en de verandering in groeisnelheid, celgrootte en delingstijd nauwkeurig te timen. Hierdoor konden we voor het eerst aantonen dat celgrootte niet reageert op de groeisnelheid, maar dat ppGpp parallel zowel de celgrootte als de groeisnelheid beheerst; ppGpp zit op de een of andere manier in het midden en reguleert beide processen."

Microscopische beelden (inherent wazig met nabewerking) van E.coli cellen met de twee synthetische ppGpp controle-enzymen. Het cyaangekleurde enzym breekt ppGpp af en het geelgekleurde enzym synthetiseert het. Daarom hebben gele cellen meer ppGpp en cyaankleurige cellen minder. Onderzoekers kunnen met dergelijke beelden de effecten van verschillende ppGpp-niveaus op celniveau waarnemen.

Het mysterie van hoe bacteriën hun grootte reguleren

Bacteriën zijn indrukwekkende overlevingsmachines en maken efficiënt gebruik van hulpbronnen, maar hoe doen ze dat? Om onder zulke uiteenlopende omstandigheden te kunnen gedijen, hebben bacteriën moleculaire sensoren ontwikkeld die hen in staat stellen om zowel hun omgeving te observeren als hun eigen groeisnelheid. Met behulp van deze sensoren kunnen bacteriën de meeste van hun biochemische processen reguleren.

Eén van de belangrijkste sensorische systemen van bacteriën maakt gebruik van een signaalmolecuul dat guanosine-tetrafosfaat heet, kortweg ppGpp; met behulp van dit ppGpp groeien bacteriën altijd zo snel als de omgeving hen toestaat. Maar dit is niet het hele verhaal: met meer metabolisme hebben cellen meer ruimte nodig en vice versa. Tot nu toe was dit een raadsel voor wetenschappers: hoe regelen bacteriën hun grootte om zich aan te passen aan hun metabolisme?

/* */