Stel je voor dat je probeert een leger van indringers te verslaan dat elke twintig minuten zijn bevolkingsomvang kan verdubbelen. Dit is waar het menselijk lichaam mee te maken krijgt als het besmet raakt met een schadelijke stam van Escherichia coli (E. coli), een soort bacterie die zich snel kan vermenigvuldigen en een groot aantal onaangename en potentieel gevaarlijke ziekten kan veroorzaken, zoals diarree, aandoeningen van de luchtwegen en longontsteking.

Met de wereldwijde opkomst van antibioticaresistentie, wetenschappers zijn wanhopig op zoek naar nieuwe manieren om bacteriële infecties met medicijnen te bestrijden. Een effectieve methode om te voorkomen dat bacteriële cellen zich delen en vermenigvuldigen, zou zijn om de celdelingsmachinerie aan te pakken. Echter, om dit te behalen, een meer gedetailleerd beeld van de structuur en organisatie van de machine zelf is vereist.

Onderzoekers van de Structural Cellular Biology Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Stockholm, hebben licht geworpen op het mechanisme van celdeling in E. coli. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Moleculaire Microbiologie .

Op lange termijn, dit onderzoek zou kunnen helpen bij het identificeren van nieuwe manieren om bacteriën aan te pakken met antibiotica. "Als we de mechanismen waarmee bacteriële cellen zich delen beter kunnen begrijpen, dan kunnen we proberen medicijnen te maken die deze mechanismen verstoren, " zegt Bill Söderström, hoofdauteur van het artikel.

De meeste bacteriële cellen repliceren door binaire splitsing, een proces waarbij de moedercel zich samentrekt en scheidt in twee identieke dochtercellen. Tijdens de celdeling, een grote moleculaire machine genaamd het 'divisoom' verzamelt zich in de cel. De onderzoekers hebben de ruimtelijke organisatie onthuld van twee belangrijke eiwitten van het E. coli-divisoom, 'FtsZ' en 'FtsN'.

Voor een lange tijd, celbiologen hadden aangenomen dat alle eiwitten in het divisoom bij elkaar waren geclusterd in één groot supercomplex. Conventionele fluorescentiemicroscopie heeft een relatief laag oplossend vermogen, wat betekent dat aangrenzende objecten die heel dicht bij elkaar liggen soms als een enkele entiteit verschijnen. Echter, met behulp van een geavanceerde beeldvormingstechniek die beschikbaar is bij OIST, genaamd super-resolution Stimulated Emission Depletion (STED) nanoscopie, de onderzoekers konden de delingsmachinerie op nanoschaal visualiseren. "Met een betere resolutie, we waren in staat om het verschil tussen de twee eiwitringen te zien en details af te leiden over het proces van celdeling, ", zegt Söderström.

Twee fluorescerende kleuren gebruiken om respectievelijk FtsZ en FtsN in groen en rood te labelen, de onderzoekers onthulden dat beide eiwitten in grote samenstellingen zijn gelokaliseerd, die ongelijk verdeeld zijn over de splitsingsplaats. Vroeg in het splitsingsproces de twee eiwitten vormen niet-overlappende fragmentarische ringen. Naarmate de celdeling vordert, de groene ring, gevormd door FtsZ, beweegt binnen de rode ring, gevormd door FtsN. De bevinding dat deze eiwitten niet altijd overlappen, maar in verschillende groepen zijn verdeeld, suggereert dat het divisoom niet werkt als een enkele moleculaire machine. Liever, elke eiwitgroep speelt een specifieke rol.

Met een meer gedetailleerd beeld van de celdelingsmachinerie, biologen kunnen nieuwe antibiotica ontwerpen om te voorkomen dat bacteriële cellen zich delen en vermenigvuldigen. "De volgende stap is om naar veel meer paren celdelingseiwitten te kijken en erachter te komen op welke van deze we ons met medicijnen moeten richten, ", zegt Söderström.