Hur ser kontrollrummet ut i en E. coli-bakterie?
I det myller av kemiska reaktioner som karakteriserar miljön inuti en bakterie måste tillväxt och delning koordineras in i minsta detalj, eller så är loppet kört i den kraftigt kompetitiva situationen in en bakteriekoloni. En E. coli som lever under optimala förhållanden delar sig ungefär var 20de minut, men bakterien behöver samtidigt nästan 40 minuter för att kopiera sitt DNA. Eftersom varje ny cell behöver en helkopia av det genetiska materialet är det svårt att förstå hur detta är möjligt. Lösningen är att påbörja kopieringen i en tidigare generation, så att cellen har mer än en kopia av sitt DNA när den just har delat sig. Men det är livsviktigt att antalet påbörjade kopieringsprocesser och antalet celldelningar alltid är lika många, annars riskerar cellen att förlora genetiskt material, alternativt att ackumulera DNA med lika förödande konsekvenser.
Här kan man dra paralleller till flercelliga organismer liksom oss själva. När synkronisering av DNA-kopiering och celldelning inte fungerar i en encelligorganism är dödlig utgång i princip oundviklig. Om några av våra mänskliga celler inte klarar av att koordinera dessa processer leder det oftast till eliminering, men ibland uppstår okontrollerad tillväxt, det vill säga tumörer.
Vi kan konstatera att koordineringen mellan det som styr celldelning och DNA-kopiering måste vara exakt och man skulle således kunna förvänta sig att olika E.coli-bakterier som lever under liknande förhållanden beter sig mycket lika. Detta är emellertid en förhastad slutsats. Cell storleken och livslängden varierar kraftigt mellan genetiskt identiska bakterier, även om de yttre förhållandena är konstanta. För att reda ut vad som ger upphov till denna variation har vi skapat en modell för hur cellstorlek, tillväxthastighet och livslängd hänger ihop. Modellen tar även hänsyn till slumpmässigheten i kemiska reaktioner. Det låter ganska enkelt, men faktum är att forskarvärlden har misslyckats i flera decennier med att reda ut de här sambanden.
Men vad är det vi har kommit framtill då? Resultatet går att beskriva med en mening: E. coli-bakterien börjar kopiera sitt DNA när den uppnått en viss volym och hur lång tid det sedan tar innan cellen delar sig beror på hur fort varje individ växer.
Enkelt, eller hur? Men vi är inte klara. Svaret vi kommit fram till skapar ett stort antal nya viktiga frågor och under arbetets gång har vi utvecklat flera nya experimentella metoder för att kunna följa enskilda molekyler inuti tusentals individuella E. coli-bakterier, samtidigt! Cellernas myllrande innandöme är inte längre obruten terräng och vår tillväxtmodell gör det möjligt att göra fler kvalificerade gissningar om hur verkligheten ser ut – i E. colins kontrollrum.
Forskningen leds av Johan Elf på ElfLab vid Uppsalas Universitet
