Бактериальные клетки не просыпаются однажды утром и не решают стать родителями. Но в их клеточном цикле есть момент — после достаточного роста и репликации геномов — когда они разделяются на две части, создавая новые клетки, которые затем повторяют этот процесс. Что говорит бактерии, что пришло время разделиться? Мнения ученых по этому поводу разделились.

В последние несколько лет, пытаясь раскрыть биологические сигналы, определяющие время деления бактерии, ученые полагались на недавно разработанную технологию, которая позволяет им отслеживать жизненные циклы отдельной бактериальной клетки и всех ее потомков на протяжении сотен поколения. Проблема в том, что эксперименты с использованием этой системы создали противоречивые модели, каждая из которых объясняет время деления клеток разными факторами.

В исследовании , опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , группа исследователей из Института науки Вейцмана использовала статистические рассуждения, чтобы определить, какая модель клеточного деления является наиболее правдоподобной. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет сразу перейти к проблеме — выявлению причинного фактора разделения — без необходимости раскрывать точные биологические механизмы.

В предыдущих исследованиях ученые, отслеживающие деление бактериальных клеток, заметили, что клетки растут точно на один и тот же объем с момента дупликации ДНК до деления клетки. Из этого они пришли к выводу, что процессы, говорящие клетке о том, что она должна разделиться на две части, начинаются на этапе дублирования генетического материала.

Однако исследования также показали, что клетки растут точно на один и тот же объем с момента их рождения до момента их деления. Это наблюдение привело к разработке противоречивой модели, согласно которой обратный отсчет деления клетки начинается с момента ее рождения. Согласно этому подходу, регуляторный белок начинает накапливаться в клетках с самого начала, устанавливая своего рода тикающий будильник, который срабатывает, когда уровень этого белка достигает определенной точки.

Чтобы разрешить это противоречие, третья модель объединила обе, предполагая участие как регуляторного белка , так и генетической репликации.

Все эти модели были основаны на корреляции: ученые отметили, что пределы роста в определенных частях цикла бактериальных клеток, по-видимому, синхронны с клеточным делением. Но, как скажет вам любой первокурсник, специализирующийся на естественных науках, корреляция не является причинно-следственной связью. То есть накопление белка или репликация ДНК могут происходить одновременно с сигналом о расщеплении, не имея при этом причинно-следственной связи с этим сигналом.

Чтобы сделать выбор между двумя моделями клеточного деления, профессор Ариэль Амир из кафедры физики сложных систем Вейцмана и международная группа ученых использовали тестирование условной независимости — статистический инструмент, разработанный Джудеей Перл, израильско-американским ученым, удостоенным награды премию Тьюринга за работу над методами, используемыми в этом подходе.

Исследователи применили это тестирование к данным, которые были собраны в сотрудничестве с Университетом Теннесси при выращивании сотен различных бактерий E. coli в разных партиях. Некоторым клеткам были созданы условия, позволяющие им быстро делиться, тогда как другие выращивались в условиях, диктовавших более медленный рост. Данные включали время различных этапов жизненного цикла клеток, а также размер клеток на каждом этапе.

Тесты условной независимости задают вопросы «если-то», которые могут выявить, какая корреляция именно такая — совпадение, не предполагающее причинно-следственной связи. В работе под руководством Пратиты Кар, студентки-исследователя из Гарварда, команда сравнила группы бактериальных клеток, которые имели одинаковый размер на стадии дупликации ДНК, но имели разные размеры при рождении.

Если модель, утверждающая, что время деления клеток зависит исключительно от дупликации ДНК, верна, то клетки одинакового размера при дупликации будут делиться в одинаковое время — независимо от их размера при рождении. Однако если модель неверна и именно накопление белка с момента рождения определяет, когда клетки будут делиться, тогда клетки разного размера при рождении будут делиться в разное время, и будет существовать корреляция между размером при рождении и размером при рождении. время разделения.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что обе модели действительны, но не так, как предлагала третья «гибридная» модель. Когда бактериальные клетки росли медленными темпами, только процессы дупликации ДНК определяли, когда клетка будет делиться. Однако когда скорость роста клеток была выше, ситуация усложнялась, и исследователи обнаружили, что и процессы, начавшиеся при рождении, и дупликация ДНК в совокупности определяют, когда клетка разделится.

Наконец, исследователи обнаружили визуальный признак того, что деление клеток достигло точки невозврата: клетке суждено разделиться на две клетки в тот момент, когда в ее центре начинает формироваться кольцо.

Ученые также использовали тест на условную независимость, чтобы опровергнуть широко распространенную теорию о том, что время дупликации ДНК в одном поколении жестко определяет это время в следующем. Скорее, они показали, что процессы, происходящие в родительской клетке после того, как дупликация ее ДНК уже началась, могут повлиять на то, когда дочерние клетки начнут реплицировать собственный генетический материал.

«Использование статистических методов для подтверждения причинно-следственной связи позволяет нам лучше понять процессы роста и деления бактериальных клеток», — говорит Амир. «Тесты условной независимости широко используются в таких областях, как эпидемиология, экономика и т. д. Я считаю, что способность охарактеризовать процессы роста и размножения широкого спектра патогенов проложит путь к разработке более эффективных антибиотиков в будущем.»