[논문 리뷰] Can entropy save bacteria?

Suckjoon Jun|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 19.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 박테리아의 원형체가 막대 모양의 세포에 물리적으로 봉인되어 있을 때, 엔트로피만으로도 복제된 염색체의 분리에 기여하는 고대적인 추진력이 된다고 제안한다. 비압축성 고분자 사슬의 단위상도와 피스톤 유사 모델을 사용하여, 복제된 염색체가 엔트로피적 반발로 자연스럽게 분리됨을 보여주며, *E. coli*에서 새로 복제된 DNA가 세포의 외부에 국한되어 있음을 예측한다. 플라스미드의 경우 크기가 작아 활성 분리 시스템이 필요하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 활성 생물학적 메커니즘을 초월하여 박테리아에서 염색체 분리의 물리적 기초를 이해하기 위해.
• 고립된 세포 기하학적 구조에서 엔트로피와 봉인만으로도 복제된 염색체가 분리되는지 조사하기 위해.
• 비압축성 고분자 사슬의 단위상도를 사용하여 복제 중인 염색체의 공간적 조직을 예측하기 위해.
• 낮은 복제 수의 플라스미드가 크기가 작음에도 불구하고 활성 분리 메커니즘을 필요로 하는 이유를 설명하기 위해.
• 다양한 박테리아의 형태와 인공 세포에서 염색체 분리의 일반 원칙을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 막대 모양의 세포를 나타내는 실린더 상자에 봉인된 비압축성, 자가피避 고분자 사슬로 박테리아 염색체를 모델링한다.
• 세포 성장과 염색체 봉인의 물리적 제약을 시뮬레이션하기 위해 피스톤 유사 모델을 적용한다.
• 두 개의 무차원 길이 척도인 축비 (L′)와 지름 (R′)을 기반으로 자유 에너지 계산을 Pincus 블롭 이론을 사용하여 단위상도를 구성한다.
• 스케일링 법칙과 자유 에너지 표현식 (예: βF ∼ (LD²/R³)^(1/(1−3ν))) 을 사용하여 사슬 구조와 분리 전이를 분석한다.
• Pincus 사슬 모델을 가장 조밀하게 배열된 사슬로 매핑하여 봉인 자유 에너지 비용을 자성적으로 추정한다.
• 사슬 크기, 부피 분율, 봉인 기하학에 따라 분리(Ⅰ–Ⅲ), 혼합(Ⅳ–Ⅵ), 희석 상태로의 전이를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 봉인된 세포 내에서 엔트로피만으로도 막대 모양의 세포에서 복제된 박테리아 염색체의 분리가 가능할 수 있는가?
• RQ2 폐쇄된 실린더 기하학적 구조에서 두 개의 비압축성 고분자 사슬이 엔트로피적으로 분리되는 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ3 플라스미드가 크기가 작음에도 불구하고 수동 분리에 실패하는 이유는 무엇이며, 이는 그들의 진화적 분리 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 봉인된 고분자의 단위상도는 *E. coli*에서 복제 중인 염색체의 공간적 조직을 어떻게 예측하는가?
• RQ5 이 엔트로피 메커니즘은 다양한 형태의 박테리아와 인공 세포에서 염색체 분리에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 단위상도는 막대 모양의 세포에 봉인된 두 염색체가 혼합되는 데 자유 에너지 장벽을 예측하며, 이는 엔트로피에 의해 자발적인 분리가 일어남을 시사한다.
• *E. coli*의 경우 모델은 복제 중에 새로 복제된 DNA가 핵막의 외부에 국한되어 있음을 예측하며, 이는 실험 관찰과 일치한다.
• 축비가 증가함에 따라 시스템은 분리 상태(Ⅰ–Ⅲ)에서 혼합 상태(Ⅳ–Ⅵ)로 전이되며, 자유 에너지가 단조롭게 증가하는 임계 전이점 R′ ≈ L′/2 에서 발생한다.
• 영역 Ⅲ와 Ⅳ의 경계는 y = x^(12/7) 스케일링에 따라 변화하며, 이는 부피 상관 길이가 감소함에 따라 무작위 보행 사슬 구조가 시작되는 지점과 대응한다.
• 플라스미드의 경우 크기가 작아 혼합 영역에 머물며, 따라서 정확한 분리를 위해 활성 분리 시스템이 필요하다.
• 이 모델은 모터 단백질이나 활성 수송이 없이도 염색체가 세로축을 따라 방향성 있게 이동하는 것을 엔트로피력만으로 설명할 수 있음을 시사한다.