La forma en que las células bacterianas se dividen en dos no se comprende completamente. Los físicos de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich ahora muestran que, en altas concentraciones, una proteína crucial puede ensamblarse en filamentos en forma de anillo que constriñen la célula, dando lugar aa dos células hijas.
En el paso final en la división celular bacteriana, la constricción del llamado anillo Z, una estructura anular que se forma en la membrana plasmática cerca del punto medio de la célula, da lugar a las dos células hijas: un equipo de investigación dirigido porErwin Frey, quien ocupa la Cátedra de Física Estadística y Biológica en LMU, ahora ha utilizado el modelado matemático para comprender el mecanismo que impulsa la formación del anillo Z, y al hacerlo ha descubierto una nueva clase de mecanismo de formación de patrones en sistemas biológicos.Las simulaciones basadas en el modelo muestran que el componente principal del anillo Z puede autoorganizarse en estructuras similares a anillos una vez que su concentración de subunidad local excede un cierto valor umbral ". Desde un punto de vista biológico, esta es una observación muy interesante, porquearroja nueva luz sobre la dinámica de proteínas previamente misteriosa que subyace a la división celular bacteriana ", dice Frey. Los resultados del nuevo estudio aparecen en Cartas de revisión física .
El anillo Z está formado por la proteína FtsZ, que se polimeriza en forma de filamentos que tienen una curvatura intrínseca, como lo confirman los experimentos realizados con membranas artificiales. Además, los anillos forman patrones de vórtice en la membrana como resultadode intercambio activo de subunidades: este fenómeno surge porque los polímeros FtsZ están polarizados: las subunidades se pueden agregar a un solo extremo del filamento y se pierden del otro. Este llamado fresado de banda de rodamiento hace que parezca que los filamentos se arrastran activamente"Bajo ciertas condiciones, los polímeros comienzan a formar grupos cerrados en forma de anillo que giran", dice Jonas Denk. "Y sorprendentemente, el diámetro de estos anillos es equivalente al de la célula bacteriana promedio".
Hace tiempo que se sabe que los polímeros FtsZ se autoorganizan, pero el grupo de Frey también ha desarrollado un modelo matemático que tiene en cuenta la curvatura intrínseca de los polímeros y su comportamiento de remolino y fresado de banda de rodadura. Además, el modelo incluye elestipulación de que los arcos de filamentos se repelen entre sí, lo que garantiza que los filamentos no se superpongan. Las simulaciones numéricas basadas en este modelo recapitulan la dinámica no lineal observada en los sistemas de modelos experimentales. "Lo que realmente queríamos saber era el mecanismo subyacente responsable de la formación delos patrones de vórtice ", dice Huber. Las simulaciones demostraron que el factor crítico es la densidad de partículas; en otras palabras, la concentración total de subunidades en el sistema: en un sistema en el que la densidad de partículas es baja, las oportunidades de interacción son pocas,y los filamentos individuales están ampliamente separados. A medida que aumenta el número total de partículas, es cada vez más probable que los polímeros choquen entre sír.Como consecuencia de tales colisiones y el movimiento giratorio de cada uno de los filamentos curvos, los polímeros comienzan a agruparse, formando arcos densamente anidados.
Según los investigadores de Munich, estos resultados implican que la formación del anillo Z es una consecuencia directa de la dinámica de la autoorganización de FtsZ, y la concentración de FtsZ en la célula es la variable de control que regula dónde y cuándose forma en la célula. Dicho sistema autocatalítico también proporciona un mecanismo completamente nuevo para el crecimiento de estructuras en forma de anillo, que difiere fundamentalmente del utilizado para la segregación de células hijas en la división celular eucariota: en eucariotas, proteínas motoras específicas que se unen a la célulaLa membrana y la contracción activa son esenciales para este proceso, señala Denk. Además, aparte de su importancia biológica, los nuevos hallazgos son de considerable interés físico y matemático, agrega Huber: La fenomenología subyacente de nuestro modelo difiere fundamentalmente de la utilizada convencionalmente.en el modelado del comportamiento de sistemas de partículas activados o activos, su descripción matemática resulta en unversión generalizada de una ecuación compleja que juega un papel en el contexto de fenómenos como la turbulencia bacteriana y la formación de patrones en sistemas no lineales más generales.
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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