[논문 리뷰] Steric interactions and out-of-equilibrium processes control the internal organization of bacteria

Ander Movilla Miangolarra, Hsin‐Jung Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

Bacterial Genetics and Biotechnology참고 문헌 42인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 입자 간의 장력 상호작용과 비평형 상태의 mRNA 동역학이 대장균에서 박테리아 핵막의 공간적 조직을 이끄는 원인가 되며, 비평형 상태의 반응-확산 방정식과 비르발 전개를 사용한 통계역학 모델을 통해 이를 입증한다. 이 모델은 배제체적 효과만으로도 평형 상태에서 상분리가 발생하여 DNA가 핵막으로 압축됨을 보여주며, mRNA 합성과 분해에 의해 발생하는 비평형력이 핵막을 중앙에 위치시키고 세포 성장 중에 둘로 나뉘게 한다. 이 모델은 필라멘터스 성장 조건에서의 실험적 핵막 크기와 위치를 정량적으로 재현한다.

ABSTRACT

Despite the absence of a membrane-enclosed nucleus, the bacterial DNA is typically condensed into a compact body - the nucleoid. This compaction influences the localization and dynamics of many cellular processes including transcription, translation, and cell division. Here, we develop a model that takes into account steric interactions among the components of the Escherichia coli transcriptional-translational machinery (TTM) and out-of-equilibrium effects of mRNA transcription, translation, and degradation, in order to explain many observed features of the nucleoid. We show that steric effects, due to the different molecular shapes of the TTM components, are sufficient to drive equilibrium phase separation of the DNA, explaining the formation and size of the nucleoid. In addition, we show that the observed positioning of the nucleoid at midcell is due to the out-of-equilibrium process of messenger RNA (mRNA) synthesis and degradation: mRNAs apply a pressure on both sides of the nucleoid, localizing it to midcell. We demonstrate that, as the cell grows, the production of these mRNAs is responsible for the nucleoid splitting into two lobes, and for their well-known positioning to 1/4 and 3/4 positions on the long cell axis. Finally, our model quantitatively accounts for the observed expansion of the nucleoid when the pool of cytoplasmic mRNAs is depleted. Overall, our study suggests that steric interactions and out-of-equilibrium effects of the TTM are key drivers of the internal spatial organization of bacterial cells.

연구 동기 및 목표

• 막이 없는 핵막의 공간적 조직을 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 전사-번역 기구(TTM) 성분인 DNA, mRNA, 리보솜 간의 입자 간 장력 상호작용이 활성 조절 없이도 핵막 형성과 위치를 유도할 수 있는지 확인하는 것.
• 특히 mRNA 합성과 분해와 같은 비평형 과정이 세포 성장 중 핵막의 위치와 분열에 어떻게 기여하는지 조사하는 것.
• 다양한 성장 속도와 mRNA 농도에서 필라멘터스 성장 중인 대장균 세포의 실험 데이터와 모델 예측을 정량적으로 비교하는 것.
• 분자 척도의 입자 간 장력과 운동적 효과로부터 핵막 조직을 설명하는 최소한의 물리적으로 타당한 모델을 수립하는 것.

제안 방법

• 세포 길이에 따라 축소된 1차원의 반분석적 통계역학 모델을 개발하여, 3차원 세포질을 세포 길이에 따라 1차원 축으로 단순화한다.
• 비르발 전개를 적용하여 국소 자유 에너지를 계산하며, DNA 조각, mRNA, 리보솜/다중리보솜의 구형 근사값 간의 입자 간 장력(배제체적) 효과를 포함한다.
• 반응-확산 방정식을 사용하여 농도의 시간 변화를 모델링한다: cDNA(x,t)는 DNA 농도, ρn(x,t)는 다중리보솜(리보솜 n개를 가진 mRNA) 농도, cF(x,t)는 자유 리보솜 농도를 나타낸다.
• mRNA 합성(α), 분해(β), 리보솜 결합/해리(kon, koff)를 통해 비평형 동역학을 통합하며, 시간 적분에는 후진 차분 공식(BDF)을 사용한다.
• 제약 조건이 있는 기울기 기반 최적화(NLopt 라이브러리)를 통해 자유 에너지 최소화를 수행하여 평형 상태 프로파일을 도출한다.
• 세포 길이에 비례하여 성장 속도, mRNA 농도, 분해 속도 등의 매개변수를 스케일링하여 실험적 필라멘터스 성장 데이터와 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활동적 힘이나 조절 단백질이 없이도 입자 간 장력 상호작용만으로도 박테리아 핵막의 형성과 크기를 설명할 수 있는가?
• RQ2 복제 이전과 이후의 대장균에서 핵막이 중앙에 위치하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 세포 성장 중에 mRNA 합성과 분해와 같은 비평형 상태의 동역학이 핵막 분열과 1/4 및 3/4 위치에 위치한 핵막의 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 mRNA 풀이 감소할 경우 핵막이 얼마나 팽창하는가? 이는 모델로 정량적으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 긴 필라멘터스 세포에서 핵막 루프 형성의 특징적인 길이 척도를 모델이 예측하는가?

주요 결과

• 배제체적 효과에 의한 입자 간 장력 상호작용만으로도 평형 상태에서 상분리가 발생하여, 활성 과정이나 염색체 단백질이 없이도 핵막의 형성과 압축된 크기를 설명할 수 있다.
• 핵막의 중앙 위치는 mRNA 합성과 분해에 의해 발생하는 압력 불균형으로 인해 발생하는 비평형 현상이며, 핵막을 중심에 위치시키는 데 기여한다.
• 세포가 성장함에 따라 지속적인 mRNA 생산이 핵막을 두 개의 루프로 나누며, 이 루프들은 세포 길이의 1/4 및 3/4 위치에 위치한다. 이는 실험 관측과 일치한다.
• 모델은 mRNA 감소에 따른 핵막 팽창을 실험적으로 관측된 것과 정량적으로 재현하며, mRNA가 핵막 크기 조절의 핵심 요소임을 확인한다.
• 긴 필라멘터스 세포(>8 µm)에서는 모델이 다수의 핵막 루프(예: 약 16 µm에서 3개의 루프)가 나타나는 것을 예측하며, 이는 약 5 µm의 특징적인 루프 크기를 시사한다.
• 비평형 반응이 없을 경우 모델은 평형 상태에서 대칭적인 단일 핵막을 예측하며, 이는 중앙 위치가 비평형 효과임을 확인한다.