Rendu artistique de bactéries E.coli vivantes qui ont été façonnées en rectangle, Triangle, cercle, et carré (d'avant en arrière). Les couleurs indiquent la densité des protéines Min qui représentent un instantané dans le temps (basé sur des données réelles), comme ces protéines oscillent dans les deux sens au sein de la bactérie, pour déterminer le plan médian de la cellule pour la division cellulaire. Crédit :Cees Dekker lab TU Delft / Tremani
La bactérie E.coli, un résident très commun des intestins des gens, a la forme d'une petite tige d'environ 3 micromètres de long. Pour la première fois, des scientifiques du Kavli Institute of Nanoscience de l'Université de Delft ont trouvé un moyen d'utiliser la nanotechnologie pour faire pousser des bactéries E. coli vivantes sous des formes très différentes :carrés, Triangles, cercles, et même sous forme de lettres épelant 'TU Delft'. Ils ont également réussi à faire pousser des E. coli surdimensionnés avec un volume trente fois plus grand que la normale. Ces bactéries vivantes aux formes étranges permettent d'étudier la distribution interne des protéines et de l'ADN de manière entièrement nouvelle.
Dans cette semaine Nature Nanotechnologie , les scientifiques décrivent comment ces bactéries conçues sur mesure parviennent toujours à localiser parfaitement «le milieu d'elles-mêmes» pour leur division cellulaire. Ils le font en utilisant des protéines qui détectent la forme de la cellule, basé sur un principe mathématique proposé par le pionnier de l'informatique Alan Turing en 1953.
La division cellulaire
"Si les cellules ne peuvent pas se diviser correctement, la vie biologique ne serait pas possible. Les cellules doivent distribuer leur volume cellulaire et leur matériel génétique de manière égale dans leurs cellules filles pour proliférer.", dit le prof. Cees Dekker, « Il est fascinant que même un organisme unicellulaire sache se diviser très précisément. La distribution de certaines protéines dans la cellule est essentielle pour réguler cela, mais comment exactement ces protéines y parviennent-elles ? »
Turing
Comme l'illustre le travail du scientifique de Delft, la clé ici est un processus découvert par le célèbre Alan Turing en 1953. Bien que Turing soit surtout connu pour son rôle dans le déchiffrement de la machine de codage Enigma et du test de Turing, l'impact de sa « théorie de la réaction-diffusion » sur la biologie pourrait être encore plus spectaculaire. Il a prédit comment les modèles dans l'espace et le temps émergent comme le résultat de seulement deux interactions moléculaires - expliquant par exemple comment un zèbre obtient ses rayures, ou comment une main d'embryon développe cinq doigts.
Rendu artistique de bactéries E.coli vivantes qui ont été façonnées en rectangles. Les points blancs indiquent les protéines Min qui oscillent d'avant en arrière au sein de la bactérie, pour déterminer le plan médian de la cellule pour la division cellulaire. Crédit :Erik Major, Laboratoire Fabai Wu et Cees Dekker à la TU Delft
MinD et MinE
Un tel processus de Turing agit également avec des protéines au sein d'une seule cellule, pour réguler la division cellulaire. Une cellule E.coli utilise deux types de protéines, connu sous le nom de MinD et MinE, qui se lient et se délient encore et encore à la surface interne de la bactérie, oscillant ainsi d'un pôle à l'autre dans la bactérie toutes les minutes. « Cela se traduit par une faible concentration moyenne de la protéine au milieu et des concentrations élevées aux extrémités, qui entraîne la machinerie de division jusqu'au centre cellulaire", dit Fabai Wu, doctorant, qui a mené les expériences. "Comme le montrent nos expériences, les motifs de Turing permettent à la bactérie de déterminer ses axes de symétrie et son centre. Cela s'applique à de nombreuses formes de cellules bactériennes que nous avons conçues sur mesure, comme des carrés, triangles et rectangles de plusieurs tailles. Pour s'amuser, nous avons même fait des lettres 'TUDelft' et 'TURING'. À l'aide de simulations informatiques, nous avons découvert que les capacités de détection de forme sont causées par de simples interactions de type Turing entre les protéines. »
Données réelles pour les bactéries E.coli vivantes qui ont été façonnées dans les lettres TUDELFT. La couleur rouge montre le contenu en cytosol de la cellule, tandis que la couleur verte montre la densité des protéines Min, représentant un instantané dans le temps, car ces protéines oscillent dans les deux sens au sein de la bactérie pour déterminer le plan médian de la cellule pour la division cellulaire. Crédit :Fabai Wu, Laboratoire Cees Dekker à la TU de Delft
Contrôle spatial pour la construction de cellules synthétiques
« La découverte de ce processus n'est pas seulement vitale pour notre compréhension de la division cellulaire bactérienne, ce qui est important dans le développement de nouvelles stratégies pour les antibiotiques. Mais l'approche sera probablement également fructueuse pour comprendre comment les cellules distribuent d'autres systèmes vitaux au sein d'une cellule, comme les chromosomes", dit Cees Dekker. "Le but ultime de nos recherches est de pouvoir construire complètement une cellule vivante à partir de composants artificiels, car c'est le seul moyen de vraiment comprendre comment fonctionne la vie. Comprendre la division cellulaire – à la fois le processus qui sépare la cellule en deux filles et la partie qui régule spatialement cette machinerie – en est une partie importante. »
Données réelles pour les bactéries E. coli vivantes qui ont été façonnées dans les lettres TURING. L'image du haut montre le contenu en cytosol de la cellule. Le bas montre la densité des protéines Min, représentant un instantané dans le temps, car ces protéines oscillent dans les deux sens au sein de la bactérie pour déterminer le plan médian de la cellule pour la division cellulaire. Crédit :Fabai Wu, Laboratoire Cees Dekker à la TU de Delft
Images de bactéries E.coli sous diverses formes, avec des protéines oscillent dans les deux sens au sein de la bactérie pour déterminer le plan médian de la cellule pour la division cellulaire. Crédit :Université de technologie de Delft
