Ludwig-Maximilians-Universität München
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Biophysik

In die Mitte geschoben

München, 31.08.2018

Eine Bakterienzelle teilt sich, indem sie sich in der Mitte abschnürt. LMU-Physiker haben ein theoretisches Modell entwickelt, das erklärt, wie das stäbchenförmigen Bakterium Myxococcus xanthus seine Mitte findet.

Das Pom Cluster lokalisiert in der Mitte des Nukleoids und legt damit die Zellteilungsebene in M. xanthus fest. Fluoreszenzmikroskopisches Bild einer M. xanthus Zelle mit dem Nukleoid in Blau und dem Pom Cluster in Rot. Bild: L. Søgaard-Andersen, MPIterMic

Lebenswichtige Prozesse wie die Zellteilung müssen exakt gesteuert werden, etwa um die Teilungsebene korrekt festzulegen. Bakterienzellen bilden bei der Teilung in der Mitte einen kontraktilen Ring, der sie in zwei Tochterzellen abschnürt. Der LMU-Physiker Professor Erwin Frey hat nun mit seiner Doktorandin Silke Bergeler in Kooperation mit dem Team von Professor Lotte Søgaard-Andersen (MPI für terrestrische Mikrobiologie, Marburg) ein Modell entwickelt, das erklärt, wie das Bakterium Myxococcus xanthus seine Teilungsebene festlegt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PLoS Computational Biology.

Vor der Zellteilung verdoppeln Bakterien ihr Erbgut. Der Bereich der Zelle, der das Bakterienchromosom enthält, wird als Nukleoid bezeichnet und entspricht funktionell dem Zellkern höherer Zellen. Bei der Abschnürung der beiden Tochterzellen in der Zellmitte wird auch das Nukleoid geteilt. An der Lokalisierung der Zellmitte sind bei dem stäbchenförmigen M. xanthus drei Proteine entscheidend beteiligt. Wie experimentelle Ergebnisse der Marburger Wissenschaftler zeigten, sammeln sich zwei Varianten dieser sogenannten Pom-Proteine zu einem Cluster. Dieses Cluster bindet mithilfe der dritten Pom-Variante – PomZ – an die chromosomale DNA und initiiert die Teilung.

„Wir haben nun ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem wir die Dynamik, mit der das Cluster vor der Teilung in der Mitte des Nukleoids positioniert wird, detailliert untersucht haben“, sagt Bergeler. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die PomZ-Proteine dabei die entscheidenden Komponenten sind: Diese Proteine binden an die DNA und rekrutieren dann das Cluster. Durch die Bindung von Cluster und DNA wird PomZ allerdings stimuliert und löst sich wieder. Die gelösten PomZ-Proteine können wieder in das Cytosol diffundieren und erneut binden. Dabei kommt noch ein weiterer Faktor zum Tragen: Das Chromosom ist in einem gewissen Umfang elastisch und führt thermisch bedingte Schwingungen aus. „Die PomZ Proteine, die sowohl an das Chromosom als auch an das Cluster gebunden sind, können aufgrund der Elastizität des Chromosoms Kräfte auf das Cluster ausüben. Hierbei ist entscheidend, dass mehr PomZ Proteine aus der Richtung mit dem Cluster interagieren, in die sich das Cluster bewegen muss um zur Mitte zu gelangen“, sagt Bergeler. „Insgesamt wird das Cluster dabei in die Mitte der Zelle geschoben. Dort bleibt es dann stabil, weil hier die Anzahl der Proteine, die auf das Cluster treffen, aus allen Richtungen gleich ist.“

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist ihr Modell auch für andere Systeme interessant, die intrazelluläre Positionierungen steuern, etwa das Min-System von E. coli, oder die Platzierung von Flagellen. „Die Untersuchung der Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen Systemen kann helfen, die generellen Mechanismen zu identifizieren, die ihnen zugrunde liegen“, sagt Frey. Ein Schritt in diese Richtung ist die Erkenntnis der Wissenschaftler, dass der von ihnen gefundene Mechanismus prinzipiell zu zwei unterschiedlichen Dynamiken führen kann: Wenn die Dynamik der Proteine auf dem Nukleoid im Vergleich zur Clusterdynamik langsam ist, bleibt das Cluster nicht stabil wie bei M. xanthus, sondern es kommt zu Oszillationen entlang des Nukleoids.
PLoS Computational Biology 2018