Forskning

Celldelning är snabbare än DNA-kopiering

2016-07-26

Bakterieceller som växer snabbt hinner inte kopiera hela sitt DNA innan det är dags att dela sig på nytt. Det betyder att det kan pågå flera kopieringsprocesser samtidigt i en cell. Forskare vid Uppsala universitet har klarlagt hur cellerna koordinerar cellstorlek och delningstid för att bibehålla exakt en kopia av genomet per cell. Studien presenteras i den vetenskapliga tidskriften Cell.

Resultaten förklarar till exempel varför cellstorlekar kan variera väldigt mycket även för genetiskt identiska bakterier som växer under identiska förhållanden. I studien har 10 000-tals individuella e-coli-bakterier undersökts med hjälp av specialdesignade mikroskop och egenutvecklade bildbehandlingsmetoder.

- Vi har lyckats lösa ett grundläggande biologiskt problem som forskare har arbetat med i snart 50 år. Genom att kombinera nya mikroskopitekniker med mikrofluidik och matematiska modeller kan vi nu förstå hur tillväxthastighet, DNA-kopiering och celldelning är kopplade i bakteriecellen, säger Johan Elf, professor vid institutionen för cell- och molekylärbiologi och SciLifeLab, Uppsala universitet.

En cell måste se till att koordinera kopieringen av den genetiska informationen så att det alltid finns en komplett kopia i varje dottercell efter celldelning. Det är särskilt komplicerat i bakterier där det tar mycket längre tid att kopiera kromosomen än det tar för cellen att dela sig. Till exempel för e-colibakterien tar kopieringen av DNA:t nästan en timme, medan cellen delar sig var 20:e minut. Delningen ligger alltså två generationer före DNA-kopieringen, vilket betyder att flera kopieringsprocesser pågår samtidigt i varje cell.

De enskilda cellerna har en mycket stor spridning i tillväxthastighet, även under identiska tillväxtförhållanden. Det betyder att även om bakterierna har samma tillgång på näring kommer de att växa olika fort. 

- Eftersom vi nu förstår hur DNA-kopieringen och celldelningen är kopplade i enskilda celler, kan vi också korrekt förutsäga hur spridningen i tillväxt leder till spridning i cellstorlekar och delningstider, säger Johan Elf.

Studien bygger på nya mikroskopimetoder som gör det möjligt att mäta hur kopieringen av DNA är kopplad till cellens storlek och delningscykel i varje enskild cell. Helt avgörande har det även varit att utveckla nya mikrofluidiska lösningar och bildanalysmetoder som gjort det möjligt att följa tiotusentals enskilda celler under flera generationer.

Bakteriecellernas reglering av cellcykeln har direkta motsvarigheter i människokroppens celler. För människan är det mycket viktigt att denna reglering fungerar eftersom dysfunktionell cellcykelregleringen är anledningen till att cancer utvecklas. 

De nya resultaten är dock inte direkt tillämpbara inom cancerforskning, men väl inom antibiotikaforskningen där förståelsen av bakteriens tillväxt är av central betydelse. De nya experimentella metoder som nu utvecklats kan exempelvis användas för att snabbt mäta antibiotikaresistens med mycket hög tillförlitlighet och precision.

The synchronization of replication and division cycles in individual E. coli cells, CELL-D-15-02651R1