Bacterial cell division

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Bacterial cell division

1. Cell growth and binary fission

Microbilogy에서 growth는 cell 의 수가 증가하는 것을 이야기한다. Growth는 life의 circle의 중요한, 핵심이 되는 component이다,  어떤 cell 의 growth는 제한된 짧은 life를 가지고 있고, 이 species는 population의 연속적인 growth의 결과로 유지되어 진다.  게다가, microbial growth에 대한 basic science를 이해하기 위해서, 많은 partical 상태에 있는 cell이 microbial growth의 control을 위해서 사용된다.  빠르게 확장할 수 있는 microbial population에 대한 지식은 microbial growth가 어떻게 control이 되는 지 designing 하는 데 유용하게 사용 된다.
Bacterial cell은 스스로 duplication을 할 수 있는 살아있는 기계와 같다. Bacterial cell의 진행은 매우 다양한 형태의 2000여 가지 정도의 많은 chemical reacthions를 포함하고 있다.  이러한 reaction중 일부는 energy를 transformation 하는 것도 포함되어 있고, 다른 reaction은 small molecules의 생합성(biosynthesis)를 포함하고 있다. Macromolecules의 blocks를 building 한다.  여전히 다른 것들은 다양한 cofactors와 coenzyme을 필요로 한다.  이것들은 효소의 활성을 위해 필요하다, 그러나, cell synthesis의 주요 reactions는 polymerization reactions인데, macromolecules에 의해서 진행되는 이것은 monomers로 부터 만들어진다.  Macromolecules는 cell의 cytoplasm에서 축적되는데, 그들은 cell wall, cytoplasmic membrane, flagella, ribosomes, inclusion bodies, enzyme  complexes 심지어 cell division같은 새로운 구조물을 생성해 낸다. 


2. Binary fission

대부분의 prokaryotes에서, 단일의 세포에서 연속적으로 두 개의 새로운 cells로 divide한다. 이러한 과정을 binary fassion(하나에서 두 개의 cell로 나누어지는 현상을 이야기 한다)이라고 한다.  Escherichia coli 같은 rod-shaped의 bacteria를 growing cultures 하면, 세포는 그들의 original length에 비해서 2배에 가까운 길이로 커지고, 두 개의 딸세포(daughter cells)로 분리된다.  이러한 분할은 septum이라고 하고, 결과적으로 cytoplasmic membrane의 growth가 내부로 들어가는 형태로 일어나고,  두 개의 daughter dells는 내부로 일그러진다.  정의를 내리자면, 하나의 cell이 두 개로 divide 될 때 한 번의 generation이 일어나는 것이다.  Growth cycle동안 모든 세포의 연속적인 증가는 비례해서 일어난다.  각각의 daughter cell은 chromosome, ribosome의 충분한 복제, 모든 다른 macromolecular complexes, monovers, 그리고 독립적인 세포에서 존재하는 inorganic ions를 모두 수용한다.  
두 개의 daughter cell 사이의 DNA molecule을 복제하는 partitioning(구분)은  division동안 membranes에 붙는 DNA에 의존한다.
Chromosomes의 separation에서 septum 형성과 함께, 각각의 daughter cell의 하나에 각각의 DNA가 나뉘어 들어간다.
Bacteria에서 일어나는 generation을 위해서 필요한 시간은 factors의 수에 의존하는데, 이 factors에는 nutrition과 genetic factor가 있다.  Bacterium인 E.coli의 가장 좋은 nutritional condition에서 generation time은 대략 20분 정도이다.  어떤 Bacteria는 이것보다 더 빠르게 자랄 수도 있지만, 대부분의 microorganisms의 growth는 매우 느리다.  Cell division은 chromosomal replication events의 시작과 함께 일어난다.

Fts proteins, the cell division plane and cell morphology

Fts proteins라고 불리는 일부 proteins는 cell division을 위해서 모든 cell에서 필요한 중요한 인자이다.  "filamentous temperature sensitive" 라는 뜻의 Fts는 Fts protein을 encode하는 gene의 cell garboring mutation에 의해서 특성을 묘사할 수 있다.  각각의 cell은 매우 다르게 dividing 된다.  Fts Z, 이 group의 주요 protein인, Escherichia coli와 다른 일반적 bacteria에서 잘 연구가 되어 있다.
Fts proteins는 prokaryotes 사이에서 universally  하게 분포되어 있다.  Archaea를 포함하는, mitochondria와 chloroplasts에 포함되는 proteins인 FtsZ-type, Bacteria가 가지는 organelles가 evolutionary 하게 묶여있는 것을 강조한다,  FtsZ는 tubulin과 유사한 구조를 가지고 있는데, Eukaryote에서 cell division protein에서 중요하다.

1. Fts proteins and cell division

Fts proteins는 divisome이라고 불리는 cell의 division apparatus 형태를 가지는 복합체와 상호 작용을 한다. Rod-shaped cells에서, divisome의 형성은 세포의 정확한 중심의 cell cylinder를 둘러 싸는 ring에서 FtsZ의 molecules와 함께 attachment 되면서 시작한다. 
이 spot은 cell division plane이 일어날 것이다.  Escherichia coli의 cell에서 대략 10,000개의 FtsZ molecules는 ring 형태로 중합하고,이 ring은 다른 cell division proteins와 attracts 하는데, FtsZ와 ZipA를 포함한다.  Fts는 divisome에 많은 proteins를 모으기 위해서 에너지를 공급하는 ATP-hydrolyzing enzyme이다.  ZipA는 cytoplasmic membrane의 FtsZ ring에 attaches 하는 anchor이다.
Divisome은 또한 FtsⅠ같은 peptidoglycan synthesis에 포함되는 protein인 Fts로도 구성되어 있다.  FtsⅠ은 peniciilin-binding proteins라 불리는데, antibiotic penicillin에 의해서 activity가 blocking 되기 때문이다.  이 divisome은 새로운 cytoplasmic membrane과 cell이 그들의 original length의 두 배의 길이에 도달하기 전에 cell wall의 물질의 합성에 관여하는 것으로 생각되어진다.
이러한 것이 따라서 압박(constriction)이 일어나서 septum이 형성되어 daughter cells가 형성이 된다.

2. DNA replication and cell division

DNA replication은 FtsZ ring의 formation에 앞서서 일어난다.  게다가, DNA systhesis의 정지가 나타나고, FtsZ ring formation을 위한 signal이 나타난다. 이 ring forms는 duplicated nucleoids 사이의 공간에서 형성된다.  FtsZ에 의한 actual cell midpoint의 위치는 Min proteins 특히 MinC와 MinE라고 불리는 proteins의 연속적인 합성에 의해서 형성된다.
MinC는 cell division의 inhibitor인데, 이 inhibitor는 정확한 cell center에서 나타난다.  MinE는 Mic activity의 inhibitor이고, cell center에 스스로 attaches 한다.
이러한 일은 FtsZ의 recruitment로 시작되고, divisome의 initiation이다.
Cell elongation이 일어나면, chromosome의 두 copies는 따로 따로 뿔뿔히 흩어져서 각각의 하나의 daughter cell로 가득 들어가게 된다.  한 Fts protein을 FtsK라고 부르고, 잘 알려진, 일반적인 다른 proteins는 이러한 생성을 돕는다.  Constriction이 일어나면, FtsZ ring은 depolymerization을 시작하고, 하나의 daughter cell 로부터 다른 wall materials의 growth가 cell 내부로 일어나게 된다.
Enzymatic activity를 가지는 FtsZ는 guanosine triphosphate를 hydrolyze할 수 있다. FtsZ의 depolymerization과 polymerization, FtsZ ring의 disassembly는 연료로부터 에너지를 얻는다.
Properly functioning Fts proteins는 bacterial cell division 생성에 결정적이다.  Cell division의 새로운 information은 최근에 부상한 분야이고, Fts proteins를 confirmed 하는 genomic studies는 bacterial cell division을 이해하는 데 매우 흥미로운 방법인데, 기초적 이유에서 뿐만 아니라, division process의 특이한 과정에 target으로 작용하는 새로운 약의 개발에서도 유용하게 사용될 수 있다.
Penicillin과 같은 (bacterial cell wall synthesis의 targets인 drug) drugs는(특별한 Fts의 기능 또는 다른 bacterial cell division proteins와 함께 상충하는) clinical medicine에서 매우 유용하게 사용될 수 있었다.

3. Cell shape and actin-like proteins in prokaryotes

비록 FtsZ의 주요 기능이 cell division 과정이지만, 어떤 factor가 prokaryotic cell의 morphology에 어떤 영향을 미치는가? 많은 세월동안 그것은 peptidoglycan이 많은 방법으로 cell의 morphology를 결정하는 데 도움을 주기 위해서 synthesized 된다고 생각되어 왔다. 지금, 이것은 cell shape를 결정하는 prokaryotes의 특별한 proteins라고 명백히 밝혀졌다.  흥미롭게도, 이 proteins는 eukarytoic cell proteins인 actin의 significant homology로 보이는데, 이것은 eukaryotic cells의 cytoskeleton의 중요한 component이다.
Prokaryotes의 모양을 결정하는 proteins의 주요 물질인 이것은 MreB라고 부른다. 이 protein은 Bacteria의 species에서 actin과 같은 작용을 하는 cytoskeleton을 형성하고, 아마도 Archaea에서도 같은 작용을 할 것이다.  MreB는 cell 내에서 filamentous안에 spiral shaped bands를 형성하는 것으로 보이는데, 이것은 단지, cytoplasmic membrane으로 이해할 수 있다.
MreB cytoskeleton은 cytoplasmic membrane에 역행하는 힘의 generation을 하는 방법에 의해서  cell 모양을 결정한다.
흥미롭게도, coccus-shape를 가지는 bacteria에서는 MreB와 이것을 encode 하는 gene이 결여되어 있는 것을 볼 수 있다. 이것은 bacterium의 모양이 구를 형성하는 것이 현실적으로 어렵다는 것을 보여주고, 다양한 prokaryotes의 다른 cell morphologies 와 rod 형태를 가지는 bacteria의 구가 아닌 종류의 cell 에서 MreB filaments의 arrangement의 다양성을 보여주고 있다.
그러므로, FtsZ와 MreB 사이에서, prokaryotic cells는 tubulin과 actin에 유사한 구조를 가진 proteins를 형성한다는데, 최근에, 주요 eukaryotic proteins는 cell division과 internal cell scaffolding도 찾을 수 있다.  이것은 eukaryotic cells에서 주요 processes를 위한 biological solutions인데, prokaryotic cells의 evolutionary roots를 찾아볼 수 있는 계기를 마련해 준다.


Peptidoglycan synthesis and cell division

Cell 이 civision되기 전에 cell의 크기가 커졌을 때, 새로운 cell wall의 합성이 같은 장소에서 일어나게 된다.  이러한 새로운 wall의 material은 구조적인 integrity의 없어짐 없이 wall에 이전에 존재하는 것이 더 첨가되어진다.  FtsZ ring의 합성의 시작은, wall에서 작은 부분이 열리는 이것은 autolysins라고 불리는 enzymes에 의해서 생성될 것이고, 이 enzyme의 기능은 divisome에서 나타나는 lysozyme과 매우 유사하다.  새로운 wall의 materials는 opening 된 곳을 통해서 더해진다.  새로운 peptidoglycan과 그 전에 존재하던 peptidoglycan 사이의 결합은 Gram-positive bacteria의 cell surface에서 rigide 한 형태로 나타난다.  이것은 이전부터 존재하던 peptidoglycan 위에 끼어들어갈 수 있는 지점에서 cell wall을 터지게 하지 않는 cell turgor pressure에서 안전하게 결합을 하기 전에 새로운 peptidoglycan이 끼어들어가는 데 이것이 매우 중요하다.  만약, 이러한 위치가 존재하지 않는다면, autolysis라고 불리는 자연적으로 일어나는 cell lysis가 일어나게 될 것이다.

1. Biosynthesis of peptidoglycan

Peptidoglycan layer는 stress-bearing fabric으로 생각되어 지는데, 마치 고무의 sheet과 같다. Cell growth 동안의 새로운 peptidoglycan의 합성은 peptidoglycan precursors의 유사체가 들어가면서 먼저 존재하던 peptidoglycan 의 autolysins에 의해서 잘라지는 것이 통제되어진다.  Carrier molecule인, bactoprenol이라고 불리는 lipid는, 이러한 과정에서 매우 중요한 기능을 한다.  Bactoprenol은 N-acetyl glucosamine/N-acetylmuramic acid/pentapeptide peptidoglycan precursor 등으로 연결되어진 탄소 55개짜리 alcohol 로 매우 hydrophobic 한 형태로 존재한다.  Bactoprenol은 cytoplasmic membrane의 interior를 통해서 표면이 매우 hydrophobic한 precursors를 내보냄으로써 membrane을 가로질러서 building blocks에 peptidoglycan을 쌓아서 운반한다.  Periplasm에서, bactoprenol은 cell wall의 growing point에서 나타나는 cell wall precursors에 insert하는 enzymes와 함께 상호작용을 하고, glycosidic bond를 형성한다.

2. Transpeptidation : the penicillin target

Cell wall synthesis의 마지막 단계는, transpeptidation으로 알려진 생성물, glycan chains에 근접한 muramic acid residues 사이에서 cross-links하는 peptide의 형성이다.  Transpeptidation은 의학적으로 매우 중요한데 그 이유는 antibiotic penicillin에 의한 작용의 inhibitor로 작용하기 때문이다.  일반적으로 penicillin에 binding 하는 proteins는 Gram-negative bacteria의 periplasm에서 확인할 수 있는데, 이것은 하나의 Fts protein 이다.  Penicillin이 이 proteins를 붙잡았을 때, 그들은 catalytiacally active가 그리 오래가지 못한다.  이 proteins에 의한 새로운 wall synthesis의 결여는, cell wall을 약하게 만들어서 autolysis의 활성이 계속 나타나게 하고, 결과적으로 cell이 lysis 된다.
Transpeptidation은 organism에 포함하는 sell wall structure에 의존하는 서로 다른 종류의 amino acids에서 peptide bond를 형성하는 것을 포함한다.  Gram-negative bacteria에서, peptide에 근접한 D-alanine과 하나의 peptide에서 diamionpimelic acid 사이에서 cross-linking이 일어난다.  초기에, 이것은 peptidoglycan precursor의 end에서 두 개의 D-alanine residues이지만, 하나의 D-alanine group은 이 reaction 전에 들어오는 필요한 만큼의 energy를 공급받아서 (쓸모없는 ATP가 cell membrane의 outside에서 transpeptidation을 recall) transpeptidation reaction동안 옮겨진다.
Gram-positive bacteria에서 일반적으로 나타나는 glycine interbridge는 interbridge를 가로질러서 cross-links가 일어나고, 대게 하나의 peptide의 L-lysine과 다른 하나의 D-alanine으로부터 형성된다.

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