E.coli-bakterien, en mycket vanlig invånare i människors tarmar, är formad som en liten stav ca 3 mikrometer lång. För första gången, forskare från Kavli Institute of Nanoscience vid Delft University har hittat ett sätt att använda nanoteknik för att odla levande E.coli-bakterier till väldigt olika former:kvadrater, trianglar, cirklar, och även som bokstäver som stavar "TU Delft". De lyckades också odla supersized E.coli med en volym som är trettio gånger större än normalt. Dessa levande, konstigt formade bakterier tillåter studier av den interna fördelningen av proteiner och DNA på helt nya sätt.

I veckans Naturens nanoteknik , forskarna beskriver hur dessa specialdesignade bakterier fortfarande lyckas perfekt lokalisera "mitten av sig själva" för sin celldelning. De visar sig göra det med hjälp av proteiner som känner av cellformen, baserad på en matematisk princip som föreslagits av datorpionjären Alan Turing 1953.

Celldelning

"Om celler inte kan dela sig ordentligt, biologiskt liv skulle inte vara möjligt. Celler måste fördela sin cellvolym och genetiska material lika i sina dotterceller för att föröka sig." säger prof. Cees Dekker, "Det är fascinerande att även en encellig organism vet hur man delar sig mycket exakt. Fördelningen av vissa proteiner i cellen är nyckeln till att reglera detta, men exakt hur gör dessa proteiner det?"

Turing

Som Delft-forskarens arbete exemplifierar, nyckeln här är en process som upptäcktes av den berömda Alan Turing 1953. Även om Turing är mest känd för sin roll i att dechiffrera Enigma-kodningsmaskinen och Turing-testet, inverkan av hans "reaktions-diffusionsteori" på biologi kan vara ännu mer spektakulär. Han förutspådde hur mönster i rum och tid uppstår som ett resultat av endast två molekylära interaktioner – och förklarade till exempel hur en zebra får sina ränder, eller hur en embryohand utvecklar fem fingrar.

MinD och MinE

En sådan Turing-process verkar också med proteiner i en enda cell, för att reglera celldelningen. En E.coli-cell använder två typer av proteiner, känd som MinD och MinE, som binder och lossar om och om igen vid bakteriens inre yta, pendlar alltså fram och tillbaka från pol till pol inom bakterien varje minut. "Detta resulterar i en låg medelkoncentration av proteinet i mitten och höga koncentrationer i ändarna, som driver delningsmaskineriet till cellcentret", säger doktoranden Fabai Wu, som drev experimenten. "Som våra experiment visar, Turingmönstren tillåter bakterien att bestämma sina symmetriaxlar och dess centrum. Detta gäller många bakteriecellsformer som vi skräddarsytt, som rutor, trianglar och rektanglar i många storlekar. På skoj, vi gjorde till och med "TUDelft" och "TURING" bokstäver. Med hjälp av datorsimuleringar, vi upptäckte att de formavkännande förmågorna orsakas av enkla Turing-typ interaktioner mellan proteinerna."

Rumslig kontroll för att bygga syntetiska celler

"Att upptäcka denna process är inte bara avgörande för vår förståelse av bakteriell celldelning – vilket är viktigt för att utveckla nya strategier för antibiotika. Men tillvägagångssättet kommer sannolikt också att vara fruktbart för att ta reda på hur celler fördelar andra vitala system inom en cell, som kromosomer", säger Cees Dekker. "Det yttersta målet i vår forskning är att helt kunna bygga en levande cell från konstgjorda komponenter, eftersom det är det enda sättet att verkligen förstå hur livet fungerar. Att förstå celldelning – både processen som faktiskt klämmer av cellen till två döttrar och den del som spatialt reglerar det maskineriet – är en viktig del av det."