Бактерия, живущая в ротовой полости, может поделиться на 14 дочерних клеток одновременно

Нитчатая грамположительная бактерия Corynebacterium matruchotii — одна из наиболее многочисленных бактерий в зубном налете, в котором она играет структурную роль. Она входит в состав здорового микробиома ротовой полости и встречается в зубном налете у людей по всему миру. Авторы статьи в PNAS показали, что бактериальные структуры, формирующие зубной налет, образуются за счет одновременного множественного деления бактерии, в результате чего возникает от 3 до 14 дочерних клеток.

Авторы исследования выращивали C. matruchotii на чашках с агаром и наблюдали за ростом отдельных колоний. Процесс роста филаментов не сопровождался образованием септ и шел однонаправленно — к одному из концов филамента. Затем одновременно в разных местах филамента появлялись септы, а после их формирования осуществлялся цитокинез, и филамент разделялся на несколько дочерних клеток одновременно. Деление происходило очень быстро, и образующиеся дочерние клетки имели прямоугольные края и располагались под углом от 30° до 180° друг к другу. Иногда они оставались соединены только за счет временно образованных нитчатых структур. Далее из дочерних клеток появлялись новые нитевидные выросты, причем образующиеся полюса становились потенциальными местами инициации роста. Исходный кончик материнского филамента также продолжал расти. В целом, в колонии можно выделить два вида клеток: короткие быстрорастущие и длинные медленнорастущие, причем именно первые отвечали за экспоненциальный рост. Длинные клетки могли расти без деления в течение всего эксперимента. Дальнейшее изучение клеточной динамики состояло в наблюдении за 40 клетками в составе микроколоний, сформированных двумя разными штаммами — типовым ATCC 14266 и ATCC 43832.

У клеток обоих штаммов отростки дочерних клеток были тоньше, чем материнский филамент до начала деления. Большинство дочерних клеток начинали формировать их через 10–30 минут после цитокинеза. Также была зафиксирована лаг-фаза, в которую почти никакие филаменты активно растут и не делятся. В клетках штамма ATCC 14266 формирование септ наблюдалось при достижении филаментом длины в среднем 38,2 мкм, а в клетках ATCC 43832 — 25,2 мкм. Количество дочерних клеток в филаменте составляло от 3 до 14. Средняя длина дочерних клеток составляла 5,7 мкм для ATCC 14266 и 5,58 — для ATCC 43832. По мере удлинения клеток субапикальная ширина растущего конца увеличивалась, в то время как нерастущие филаменты не становились шире. Более того, по мере удлинения филамента увеличивалась и скорость его роста.

Ученые также наблюдали за ростом филамента и формированием септ с помощью флуоресцентных D-аминокислот (FDAA), которые встраиваются в растущую по мере удлинения филамента клеточную стенку бактерии. Они обнаружили в клетках со средней длиной от 10 мкм до 20 мкм флуоресцирующую апикальную зону длиной 1–2 мкм, что соответствовало росту клетки со скоростью от 4 до 8 мкм в час. Авторы также показали, что скорость удлинения клетки увеличивается со временем — в первый час она лежала в диапазоне 1,5–7,5 мкм/ч, но затем возрастала до 16–17,5 в зависимости от условий культивирования.

Была даже визуализирована клетка длиной 93 мкм с 28 формирующимися септами, которая, вероятно, разделилась на 29 дочерних клеток. Окрашивание на ДНК с помощью красителя SYBR Green показало, что ДНК в нуклеоидах активно растущих клеток находится в конденсированном состоянии. Далее исследователи установили, что ex vivo в зубном налете присутствуют клетки C. matruchotii длиной от 1 до 30 мкм и шириной от 0,6 до 1,3 мкм, что примерно соответствует уровню гетерогенности, который они наблюдали в микроколониях.

Таким образом, рост и деление C. matruchotii характеризуются уникальными свойствами, выходящими за рамки особенностей других грамположительных бактерий. Скорость удлинения этих клеток вдвое больше, чем у Bacillus subtillis, и более чем в пять раз превышает скорость роста других коринебактерий и микобактерий. Сам полярный рост клетки, происходящий только на одном полюсе, описан у некоторых бактерий (стремтомицетов и альфапротеобактерий), но пока не был показан у близкородственных видов. Авторы статьи предполагают, что изученная ими механика роста C. matruchotii обеспечивает расширение колоний, состоящих из неспособных к плаванию клеток. Это важно для понимания микробиома ротовой полости, а также наглядно демонстрирует, как морфология бактериальных клеток и динамика роста могут определять пространственную организацию микробных сообществ.

Почему некоторые бактерии делятся вдоль