ביופיזיקה של חלוקת תא חיידקי

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

בשלב האחרון בחלוקת תא חיידקי מבנה טבעתי הנוצר על גבי קרומית הפלזמה בסמוך לנקודת האמצע של התא מוליד את שתי תאי הבת. חוקרים מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן עשו שימוש במידול מתמטי על מנת להבין את המנגנון שבבסיס ההיווצרות של מבנה טבעתי זה (Z-ring) ותוך כדי כך חשפו סוג חדש של מנגנון במערכות ביולוגיות. הדמיות ממוחשבות המבוססות על המודל החדש הראו כי החלק העיקרי של המבנה הטבעתי יכול להתארגן באופן עצמאי למבנים דמויי טבעת לאחר שהריכוז של תת-יחידה מקומית עולה על ערך סף מוגדר. “מבחינת מבט ביולוגית, זוהי תצפית מעניינת במיוחד מאחר והיא מאירה באור חדש את פעילות החלבון שהייתה בעבר עלומה, פעילות הנמצאת בבסיס החלוקה של תא חיידקי”, מסביר החוקר. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Physical Review Letters.

טבעת ה-Z מורכבת מהחלבון FtsZ, המתפלמר בצורה של חוטים בעלי פיתוליות מובנית, כפי שהוכח על ידי ניסויים שבוצעו עם קרומיות מלאכותיות. בנוסף, הטבעות יוצרות תבניות פיתוליות על גבי הקרומית כתוצאה מחילוף בתת-היחידה הפעילה. תופעה זו נובעת בשל העובדה כי החלבון FtsZ קוטבי: תת-יחידות יכולות להתווסף רק בקצה אחד שלו ולהיגרע מהקצה השני בלבד. תכונה זו גורמת לחוט להיראות כאילו שהוא מזדחל לאורך הקרומית. “בתנאים מסוימים, הפולימרים מתחילים ליצור צברים בצורה של טבעת סגורה הנעים במערבולת סיבובית”, מסביר החוקר הראשי. “ובאופן מדהים, הקוטר של טבעות אלו שווה לקוטר הממוצע של תא חיידקי”.

היכולת של החלבוןFtsZ  להתארגן באופן עצמאי ידועה מזה זמן מה, אולם החוקרים הצליחו לפתח גם מודל מתמטי הלוקח בחשבון את הפיתוליות המובנית בחלבון המקורי. בנוסף, המודל לוקח בחשבון גם את ההשערה כי הקשתות של הפולימרים דוחות אחת את השנייה, מה שמבטיח שהפולימרים לא יחפפו זה את זה. “מה שבאמת רצינו לדעת היה מהו המנגנון העיקרי האחראי לתבניות הפיתוליות שבפולימר”, אומר החוקר הראשי. ההדמיות הראו כי הגורם המכריע הינו צפיפות המערכת החלקיקית – כלומר, הריכוז המצטבר של תת-היחידות במערכת: כאשר הריכוז נמוך, ההזדמנויות ליחסי גומלין ביניהן מועטות, וכאשר הריכוז מתגבר, הסיכוי שהפולימרים השונים יתנגשו זה בזה עולה. כתוצאה מהתנגשויות אלו והתנועה הסיבובית של כל אחד מהפולימרים המפותלים, הפולימרים מתחילים להצטבר יחדיו לקבלת מתחמים דחוסים יותר ויותר.

לדברי החוקרים, הממצאים הללו מרמזים כי היצירה של טבעת ה-Z נולדת ישירות מהדינמיקה של ההתארגנות העצמאית של יחידות ה-FtsZ, והריכוז של יחידות אלו הוא הגורם השולט והמווסת היכן ומתי הוא נוצר בתא. מערכת האצה עצמית כזו חושפת גם מנגנון חדש לחלוטין ליצירתם של מבנים טבעתיים, הנבדלים בסיסית מאלו הנפוצים בהיפרדות של תאי בת במסגרת החלוקה של תאים אאוקריוטים. שם, מסביר החוקר, הרכיבים החיוניים הינם חלבונים מוטוריים ספציפיים הנקשרים לקרומית התא ועוברים התכווצות פעילה. בנוסף לחשיבותם הביולוגית של הממצאים החדשים, הם גם בעלי עניין בתחומי הפיזיקה והמתמטיקה – המנגנון שנחשף שונה משמעותית מההתנהגות של מערכות פעילות ידועות אחרות.
הידיעה על המחקר