الفيزياء الحيوية لانقسام الخلايا البكتيرية

[ترجمة د.نحماني موشيه]

في المرحلة الأخيرة من انقسام الخلايا البكتيرية، يتشكل هيكل حلقي أعلى الغشاء البلازمي بالقرب من منتصف الخلية ويؤدي إلى ولادة الخليتين الابنتين. استخدم باحثون من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ النمذجة الرياضية من أجل فهم الآلية الكامنة وراء تكوين هذا الهيكل الحلقي (الحلقة Z) وفي هذه العملية كشفوا عن نوع جديد من الآليات في النظم البيولوجية. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية المستندة إلى النموذج الجديد أن الجزء الرئيسي من بنية الحلقة يمكن أن يتجمع ذاتيًا في هياكل تشبه الحلقة بعد أن يتجاوز تركيز الوحدة الفرعية المحلية قيمة عتبة محددة. يوضح الباحث: "من وجهة نظر بيولوجية، هذه ملاحظة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها تلقي ضوءًا جديدًا على نشاط البروتين الذي لم يكن معروفًا من قبل، وهو النشاط الذي يشكل أساس انقسام الخلية البكتيرية". ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Physical Review Letters.

تتكون الحلقة Z من بروتين FtsZ، الذي يتبلمر على شكل خيوط ذات التفافات منظمة، كما يتضح من التجارب التي أجريت على الأغشية الاصطناعية. بالإضافة إلى ذلك، تشكل الحلقات أنماطًا متعرجة على الغشاء نتيجة للتبادل في الوحدة الفرعية النشطة. ترجع هذه الظاهرة إلى أن بروتين FtsZ قطبي: حيث يمكن إضافة وحدات فرعية من طرف واحد فقط وطرحها من الطرف الآخر فقط. هذه الخاصية تجعل الخيط يبدو وكأنه يزحف على طول الغشاء. يوضح الباحث الرئيسي: "في ظل ظروف معينة، تبدأ البوليمرات في تكوين مجاميع على شكل حلقة مغلقة تتحرك في دوامة دوارة". "ومن المثير للدهشة أن قطر هذه الحلقات يساوي متوسط ​​قطر الخلية البكتيرية."

لقد كانت قدرة بروتين FtsZ على تنظيم نفسه معروفة منذ بعض الوقت، لكن الباحثين تمكنوا أيضًا من تطوير نموذج رياضي يأخذ في الاعتبار التعرج الموجود في البروتين الأصلي. بالإضافة إلى ذلك، يأخذ النموذج أيضًا في الاعتبار فرضية أن أقواس البوليمرات تتنافر، مما يضمن عدم تداخل البوليمرات مع بعضها البعض. يقول الباحث الرئيسي: "ما أردنا معرفته حقًا هو ما هي الآلية الرئيسية المسؤولة عن الأنماط المتعرجة في البوليمر". وأظهرت عمليات المحاكاة أن العامل الحاسم هو كثافة النظام الجزيئي - أي التركيز التراكمي للوحدات الفرعية في النظام: فعندما يكون التركيز منخفضاً تكون فرص التفاعلات بينها قليلة، وعندما يزيد التركيز تقل فرص التفاعل بينها. يزداد احتمال تصادم البوليمرات المختلفة مع بعضها البعض. ونتيجة لهذه التصادمات والحركة الدورانية لكل من البوليمرات الملتفة، تبدأ البوليمرات في التجمع معًا للحصول على المزيد والمزيد من المجمعات المدمجة.

ووفقا للباحثين، فإن هذه النتائج تشير ضمنا إلى أن إنشاء الحلقة Z ولد مباشرة من ديناميكيات التنظيم المستقل لوحدات FtsZ، وتركيز هذه الوحدات هو العامل المتحكم والمنظم أين ومتى يتم إنشاؤها في خلية. يكشف نظام التسارع الذاتي هذا أيضًا عن آلية جديدة تمامًا لإنشاء هياكل حلقية، والتي تختلف بشكل أساسي عن تلك الشائعة في فصل الخلايا الوليدة في إطار انقسام الخلايا حقيقية النواة. ويوضح الباحث أن المكونات الأساسية هي بروتينات حركية محددة ترتبط بغشاء الخلية وتخضع للانكماش النشط. بالإضافة إلى الأهمية البيولوجية للنتائج الجديدة، فهي أيضًا ذات أهمية في مجالات الفيزياء والرياضيات - فالآلية التي تم الكشف عنها تختلف بشكل كبير عن سلوك الأنظمة النشطة الأخرى المعروفة.
أخبار الدراسة