Una proteina dà il via libera alla divisione

I batteri possono moltiplicarsi rapidamente, ma lo fanno solo nelle giuste condizioni. Se mancano i nutrienti o se fa troppo freddo o è troppo secco, ad esempio, rimangono in uno stato di quiescenza. Il modo in cui una singola cellula batterica decide se dividersi è stato finora studiato principalmente in popolazioni che si stanno già moltiplicando vigorosamente. Ma finora non si sapeva cosa spingesse una cellula dormiente a svegliarsi dal suo stato di quiescenza e a iniziare a dividersi per la prima volta.

I ricercatori guidati da Uwe Sauer, capo dell'Istituto di biologia dei sistemi molecolari dell'ETH di Zurigo, hanno ora risolto questo enigma. Utilizzando l'esempio del batterio intestinale E.coli,come prende la decisione di dividersi per la prima volta. Sorprendentemente, ciò dipende da una singola proteina all'interno della cellula batterica: Solo quando la sua concentrazione supera un valore soglia la cellula si divide. Sulla base delle loro scoperte, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico. "Questo permette per la prima volta di prevedere quantitativamente quando avverrà la prima divisione", spiega Sauer. Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Molecular Systems Biology.

Attivazione rapida del metabolismo

I ricercatori hanno chiarito il meccanismo E.coli-I batteri sono stati portati in uno stato di quiescenza privandoli delle sostanze nutritive. Hanno quindi alimentato le cellule con minuscole gocce di una soluzione di glucosio. I batteri hanno assorbito avidamente lo zucchero: In pochi secondi, il loro metabolismo si è attivato. I ricercatori hanno potuto dimostrarlo con l'aiuto di un metodo sviluppato nel laboratorio Sauer che consente di misurare simultaneamente e in tempo reale centinaia di prodotti metabolici.

L'analisi ha rivelato che i batteri formano sorprendentemente nuova biomassa molto rapidamente dal glucosio di cui si nutrono, compresi gli amminoacidi e gli acidi nucleici, da cui si formano proteine e DNA in ulteriori fasi - un prerequisito necessario per la formazione di nuove cellule.

La frequenza di alimentazione è fondamentale

Nei batteri che sono già in fase di crescita, la divisione successiva avviene non appena è disponibile una quantità sufficiente di nuova biomassa. Tuttavia, questo non era il caso delle cellule dormienti: se ricevevano le gocce di glucosio nutritivo ogni dieci minuti, formavano sempre più biomassa nel tempo, ma non si dividevano ancora. Solo quando i ricercatori hanno ridotto gli intervalli di tempo e hanno alimentato le cellule ogni quattro minuti, dopo un'ora è avvenuta la prima divisione. Se si alimentavano ogni minuto, la divisione iniziava quasi subito. "Non era la quantità totale di zucchero a essere decisiva, ma la frequenza di alimentazione", afferma Sauer.

Su questa base, i ricercatori hanno ipotizzato che le cellule formino una proteina chiave a partire dal glucosio, che viene nuovamente scomposto durante le pause di alimentazione. Solo se il glucosio viene somministrato con sufficiente frequenza, si formano più proteine di quelle che vengono scomposte e la cellula può dividersi. Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori hanno cercato nella letteratura scientifica le proteine che svolgono un ruolo nella divisione e che vengono degradate dalle proteasi della cellula stessa. Si sono imbattuti nella proteina FtsZ, che durante la divisione cellulare forma un anello che facilita la separazione in due cellule figlie.

La proteina di divisione come segnale

Insieme al professor Roman Stocker dell'Istituto di ingegneria ambientale dell'ETH di Zurigo e al professore Suckjoon Jun dell'Università della California a San Diego, sono riusciti a dimostrare che FtsZ viene effettivamente scomposto nelle cellule di E. coli e che la sua concentrazione diminuisce durante le fasi di inedia. E si è rivelata essere la proteina chiave che stavano cercando: se i ricercatori hanno accelerato artificialmente la degradazione di Ftsz, il tempo fino alla prima divisione si è allungato. Se invece utilizzavano metodi genetici per indurre le cellule a produrre più FtsZ, queste si dividevano prima. "Siamo quindi riusciti a dimostrare che la concentrazione di FtsZ è il segnale decisivo per la prima divisione", afferma Sauer.

Per l'ETH, le nuove scoperte non solo fanno progredire la ricerca fondamentale, ma potrebbero anche servire come base per applicazioni specifiche. La proteina di divisione FtsZ, infatti, non si trova solo nei batteri intestinali. E.coli,ma in quasi tutte le specie batteriche, compresi i patogeni come l'agente patogeno della tubercolosi Mycobacterium tuberculosis. "Se si vuole impedire ai batteri dormienti di iniziare a dividersi, FtsZ è un buon bersaglio", afferma Sauer. Da diversi anni, vari laboratori ricercano sostanze che, tra l'altro, accelerano la degradazione di FtsZ e sono considerate promettenti candidati per nuovi antibiotici.