[論文レビュー] Can entropy save bacteria?

Suckjoon Jun|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2008

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、棒状の細胞における細菌染色体の物理的閉じ込めによって、エントロピーが唯一の要因として、染色体分離の原始的駆動力であると提唱している。ピストンの類推と、非熱的ポリマー鎖の相図を用いて、二重化された染色体がエントロピー的反発によって自然に分離することを示し、*E. coli* において新規に複製されたDNAが周辺部に局在することを予測している。一方、プラスミドはより小さいため、正確な分離には能動的分離機構を必要とする。

ABSTRACT

This article presents a physical biology approach to understanding organization and segregation of bacterial chromosomes. The author uses a "piston" analogy for bacterial chromosomes in a cell, which leads to a phase diagram for the organization of two athermal chains confined in a closed geometry characterized by two length scales (length and width). When applied to rod-shaped bacteria such as Escherichia coli, this phase diagram predicts that, despite strong confinement, duplicated chromosomes will demix, i.e., there exists a primordial physical driving force for chromosome segregation. The author discusses segregation of duplicating chromosomes using the concentric-shell model, which predicts that newly synthesized DNA will be found in the periphery of the chromosome during replication. In contrast to chromosomes, these results suggest that most plasmids will be randomly distributed inside the cell because of their small sizes. An active partitioning system is therefore required for accurate segregation of low-copy number plasmids. Implications of these results are also sketched, e.g., on the role of proteins, segregation mechanisms for bacteria of diverse shapes, cell cycle of an artificial cell, and evolution.

研究の動機と目的

• アクティブな生物学的メカニズムを超えて、細菌における染色体分離の物理的基盤を理解すること。
• 閉じ込められた細胞幾何学において、エントロピーと閉じ込められることだけが、二重化された染色体の分離を引き起こすかどうかを調査すること。
• 非熱的ポリマー鎖の相図を用いて、複製中の染色体の空間的組織を予測すること。
• 低コピーアウン数のプラスミドがその小さなサイズにもかかわらず能動的分離機構を必要とする理由を説明すること。
• 多様な細菌の形状や人工細胞において、染色体分離の一般的な原則を探ること。

提案手法

• 棒状の細胞を表すシリンダ型のボックスに閉じ込められた、非熱的で自己回避性ポリマー鎖として細菌染色体をモデル化する。
• 細胞の成長と染色体の閉じ込めという物理的制約を模倣するため、ピストンの類推を適用する。
• 次元なし長さスケール2つ（アスペクト比 L′ と直径 R′）に基づく相図を構築し、Pincusのブロブ理論を用いて自由エネルギーを計算する。
• スケーリング則と自由エネルギー式（例：βF ∼ (LD²/R³)^(1/(1−3ν))）を用いて、鎖の形状と分離遷移を分析する。
• Pincus鎖モデルを密な鎖にマッピングすることで、閉じ込め自由エネルギーのコストを自己整合的に推定する。
• 鎖のサイズ、体積分率、閉じ込め幾何学に基づいて、分離（I–III）、混合（IV–VI）、希釈状態の遷移を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じ込められた細胞において、エントロピーが唯一の要因として、二重化された細菌染色体の分離を駆動できるか？
• RQ2 閉じたシリンダ型幾何学内において、2本の非熱的ポリマー鎖がどのような物理的条件下で分離するか？
• RQ3 プラスミドはその小さなサイズにもかかわらず、なぜ受動的分離に失敗するのか？これはその進化的な分離メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 閉じ込められたポリマーの相図は、*E. coli* における複製中の染色体の空間的組織をどのように予測するか？
• RQ5 このエントロピー的メカニズムは、形状が異なる細菌や人工細胞における染色体分離にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 相図は、棒状の細胞に閉じ込められた2本の染色体に対して、混合を防ぐ自由エネルギー障壁を予測しており、エントロピーによる自発的分離を示している。
• *E. coli* に対して、モデルは複製中に新規に複製されたDNAが核様体の周辺に局在することを予測しており、実験的観察と整合している。
• アスペクト比が増加するにつれて、系は分離状態（I–III）から混合状態（IV–VI）に遷移し、自由エネルギーが単調に増加する臨界転移点 R′ ≈ L′/2 が存在する。
• 状態IIIとIVの境界は、y = x^(12/7) のスケーリングに従い、体積内相関長が短縮されてランダムウォーク的鎖の形状が現れ始める点に対応する。
• プラスミドはその小さなサイズのため、混合状態にとどまり、正確な分離には能動的分離システムを必要とする。
• このモデルは、モーターたんぱく質や能動的輸送を必要とせず、エントロピー的力のみで染色体が細胞軸に沿って方向性を持って移動することを説明可能であると示唆している。