De E.coli-bacterie, een veel voorkomende bewoner van de darmen van mensen, heeft de vorm van een klein staafje van ongeveer 3 micrometer lang. Voor de eerste keer, wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft hebben een manier gevonden om met nanotechnologie levende E.coli-bacteriën in heel verschillende vormen te laten groeien:vierkanten, driehoeken, cirkels, en zelfs als letters 'TU Delft'. Ze slaagden er ook in om supersized E.coli te kweken met een volume dat dertig keer groter is dan normaal. Deze levende, vreemd gevormde bacteriën maken het mogelijk om op geheel nieuwe manieren de interne distributie van eiwitten en DNA te bestuderen.

In deze week Natuur Nanotechnologie , de wetenschappers beschrijven hoe deze speciaal ontworpen bacteriën nog steeds perfect 'het midden van zichzelf' weten te vinden voor hun celdeling. Ze blijken dit te doen met behulp van eiwitten die de celvorm voelen, gebaseerd op een wiskundig principe voorgesteld door computerpionier Alan Turing in 1953.

Celverdeling

"Als cellen zich niet goed kunnen delen, biologisch leven niet mogelijk zou zijn. Cellen moeten hun celvolume en genetisch materiaal gelijkelijk over hun dochtercellen verdelen om te kunnen prolifereren.", zegt prof. Cees Dekker, "Het is fascinerend dat zelfs een eencellig organisme heel precies weet te delen. De verdeling van bepaalde eiwitten in de cel is de sleutel om dit te reguleren, maar hoe doen die eiwitten dat precies?"

Turing

Zoals het werk van de Delftse wetenschapper illustreert, de sleutel hier is een proces dat in 1953 werd ontdekt door de beroemde Alan Turing. Hoewel Turing vooral bekend staat om zijn rol bij het ontcijferen van de Enigma-codeermachine en de Turing-test, de impact van zijn 'reactie-diffusietheorie' op de biologie is misschien nog wel spectaculairder. Hij voorspelde hoe patronen in ruimte en tijd ontstaan ​​als het resultaat van slechts twee moleculaire interacties - bijvoorbeeld hoe een zebra zijn strepen krijgt, of hoe een embryohand vijf vingers ontwikkelt.

MinD en MinE

Zo'n Turing-proces werkt ook met eiwitten binnen een enkele cel, celdeling te reguleren. Een E.coli-cel gebruikt twee soorten eiwitten, bekend als MinD en MinE, die zich aan het binnenoppervlak van de bacterie steeds weer binden en weer losmaken, dus elke minuut heen en weer oscillerend van pool naar pool in de bacterie. "Dit resulteert in een lage gemiddelde concentratie van het eiwit in het midden en hoge concentraties aan de uiteinden, die de delingsmachine naar het celcentrum drijft", zegt promovendus Fabai Wu, die de experimenten uitvoerde. "Zoals onze experimenten laten zien, de Turing-patronen stellen de bacterie in staat om zijn symmetrieassen en zijn centrum te bepalen. Dit geldt voor veel bacteriële celvormen die we op maat hebben ontworpen, zoals vierkanten, driehoeken en rechthoeken van vele afmetingen. Voor de lol, we hebben zelfs 'TUDelft' en 'TURING' letters gemaakt. Met behulp van computersimulaties, we ontdekten dat de vormwaarnemingscapaciteiten worden veroorzaakt door eenvoudige Turing-type interacties tussen de eiwitten."

Ruimtelijke controle voor het bouwen van synthetische cellen

"Het ontdekken van dit proces is niet alleen van vitaal belang voor ons begrip van bacteriële celdeling - wat belangrijk is bij het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor antibiotica. Maar de aanpak zal waarschijnlijk ook vruchtbaar zijn om uit te zoeken hoe cellen andere vitale systemen binnen een cel verdelen, zoals chromosomen", zegt Cees Dekker. "Het uiteindelijke doel van ons onderzoek is om een ​​levende cel volledig te kunnen bouwen uit kunstmatige componenten, want dat is de enige manier om Echt begrijpen hoe het leven werkt. Het begrijpen van celdeling - zowel het proces dat de cel in twee dochters knijpt als het deel dat ruimtelijk die machinerie reguleert - is daar een belangrijk onderdeel van."