Il batterio E.coli, un residente molto comune dell'intestino delle persone, ha la forma di un minuscolo bastoncino lungo circa 3 micrometri. Per la prima volta, scienziati del Kavli Institute of Nanoscience dell'Università di Delft hanno trovato un modo per utilizzare la nanotecnologia per far crescere batteri viventi di E.coli in forme molto diverse:quadrati, triangoli, cerchi, e anche come lettere che scandiscono 'TU Delft'. Sono anche riusciti a far crescere E.coli di grandi dimensioni con un volume trenta volte più grande del normale. Questi batteri viventi dalla forma strana consentono studi sulla distribuzione interna delle proteine ​​e del DNA in modi completamente nuovi.

In questa settimana Nanotecnologia della natura , gli scienziati descrivono come questi batteri progettati su misura riescano ancora a localizzare perfettamente "il centro di se stessi" per la loro divisione cellulare. Si trovano a farlo usando proteine ​​che percepiscono la forma delle cellule, basato su un principio matematico proposto dal pioniere dei computer Alan Turing nel 1953.

Divisione cellulare

"Se le cellule non possono dividersi correttamente, la vita biologica non sarebbe possibile. Le cellule devono distribuire equamente il volume cellulare e il materiale genetico nelle cellule figlie per proliferare.", dice il prof. Cees Dekker, "È affascinante che anche un organismo unicellulare sappia dividersi in modo molto preciso. La distribuzione di determinate proteine ​​nella cellula è la chiave per regolarla, ma come fanno esattamente quelle proteine ​​a farlo?"

Turing

Come esemplifica il lavoro dello scienziato di Delft, la chiave qui è un processo scoperto dal famoso Alan Turing nel 1953. Sebbene Turing sia principalmente noto per il suo ruolo nel decifrare la macchina di codifica Enigma e il test di Turing, l'impatto della sua "teoria reazione-diffusione" sulla biologia potrebbe essere ancora più spettacolare. Ha predetto come emergono modelli nello spazio e nel tempo come risultato di due sole interazioni molecolari, spiegando ad esempio come una zebra ottiene le sue strisce, o come una mano embrionale sviluppa cinque dita.

MinD e MinE

Tale processo di Turing agisce anche con le proteine ​​all'interno di una singola cellula, per regolare la divisione cellulare. Una cellula di E.coli utilizza due tipi di proteine, noto come MinD e MinE, che si legano e si sciolgono ancora e ancora sulla superficie interna del batterio, oscillando così avanti e indietro da un polo all'altro all'interno del batterio ogni minuto. "Ciò si traduce in una bassa concentrazione media della proteina nel mezzo e alte concentrazioni alle estremità, che guida il macchinario di divisione al centro della cellula", dice il dottorando Fabai Wu, che ha condotto gli esperimenti. "Come dimostrano i nostri esperimenti, i modelli di Turing consentono al batterio di determinare i suoi assi di simmetria e il suo centro. Questo vale per molte forme di cellule batteriche che abbiamo progettato su misura, come quadrati, triangoli e rettangoli di molte dimensioni. Per divertimento, abbiamo anche scritto lettere "TUDelft" e "TURING". Utilizzando simulazioni al computer, abbiamo scoperto che le capacità di rilevamento della forma sono causate da semplici interazioni di tipo Turing tra le proteine".

Controllo spaziale per la costruzione di cellule sintetiche

"Scoprire questo processo non è solo vitale per la nostra comprensione della divisione cellulare batterica - che è importante nello sviluppo di nuove strategie per gli antibiotici. Ma l'approccio sarà probabilmente anche fruttuoso per capire come le cellule distribuiscono altri sistemi vitali all'interno di una cellula, come i cromosomi", dice Cees Dekker. "L'obiettivo finale della nostra ricerca è essere in grado di costruire completamente una cellula vivente da componenti artificiali, perché questo è l'unico modo per veramente capire come funziona la vita. Comprendere la divisione cellulare – sia il processo che in realtà divide la cellula in due figlie, sia la parte che regola spazialmente quel meccanismo – è una parte importante di questo”.