La division des cellules bactériennes, un processus dans lequel une seule cellule se divise pour former deux cellules filles identiques, représente l'un des processus biologiques les plus essentiels. Comprendre le mécanisme précis derrière ce processus dynamique peut aider à développer des moyens ciblés pour inhiber la prolifération bactérienne.
Le processus de division cellulaire implique plusieurs protéines et leurs interactions complexes. Les molécules de protéines FTSZ polymérisent pour former des protofibrilles qui s'associent davantage à une structure en type annulaire appelé anneau Z. La formation de ring Z est une étape cruciale du processus de division cellulaire, facilitée par plusieurs protéines associées à FTSZ. Le zAPA est l'une de ces protéines, qui est largement conservée parmi plusieurs espèces bactériennes et est exprimée à des niveaux significativement élevés. La protéine ZAPA se lie aux protofilaments FTSZ, aidant à la formation et au maintien de l'anneau Z. Cependant, plusieurs aspects de la division des cellules bactériennes restent inexplorés, y compris la structure exacte du complexe protéique FTSZ-ZAPA et le mécanisme d'interaction sous-jacent.
Alors que les études précédentes ont caractérisé ces protéines séparément, les chercheurs ont voulu comprendre leur interaction dynamique. Le professeur Hiroyoshi Matsumura du College of Life Sciences, Ritsumeikan, Japon, avait dirigé une étude précédente publiée dans Communications de la nature en 2023, intitulé «Structures d'un protofilament unique FTSZ et un tube double hélicoïdal en complexe avec un monobody», qui s'est concentré sur la structure des protofilaments FTSZ. S'appuyant sur ce travail, les chercheurs ont cherché à comprendre l'interaction dynamique entre les protéines FTSZ et ZAPA.
Maintenant, dans une nouvelle étude dirigée par le professeur Matsumura, publié dans Communications de la nature Le 1er juillet 2025, les chercheurs ont finalement pu mieux comprendre le fonctionnement coopératif de ces deux protéines. Dr Ryo Uehara de l'Université de Ritsumeikan, Dr Takayuki Uchihashi de l'Université Nagoya et Exccells, Dr Keiichi Namba, Dr Junso Fujita, et le Dr Kazuki Kasai, tous de l'Université d'Osaka, étaient également impliqués dans cette étude. « Le FTSZ est une cible thérapeutique potentielle pour les infections bactériennes. Par conséquent, nous voulions comprendre comment il maintient sa nature dynamique tout en interagissant avec la protéine ZAPA et la structure globale du complexe, » dit le professeur Matsumura tout en expliquant la principale inspiration derrière leurs recherches.
Pour l'étude, les protéines FTSZ et ZAPA des bactéries Klebsiella pneumoniae ont été analysés. Les scientifiques ont utilisé la microscopie cryo-électron, une technique de microscopie à haute résolution, pour visualiser la structure tridimensionnelle de FTSZ et ZAPA. Ensuite, ils ont utilisé la microscopie à force atomique à grande vitesse pour comprendre l'interaction coopérative entre les deux protéines.
Leur analyse a révélé que quatre unités de molécules de protéines ZAPA forment le tétramère ZAPA, qui attise les protofilaments FTSZ pour former une structure de type échelle asymétrique. Dans cet arrangement en forme d'échelle, un seul filament FTSZ est maintenu précisément entre deux filaments FTSZ parallèles d'un côté. De l'autre côté, il est attaché à un double protofilament anti-parallèle. « Dans un protofilament anti-parallèle, les filaments s'étendent les uns à côté, mais les sous-unités sont alignées dans des directions opposées, » explique le professeur Matsumura. Ainsi, ZAPA a un impact sur l'alignement du filament FTSZ, ce qui influence davantage la formation de la structure du cycle z. De plus, le ZAPA et le FTSZ ont été observés de manière approfondie sur de grandes surfaces, et ce contact a provoqué des altérations structurelles mineures de la conformation FTSZ.
Notamment, l'équipe a également révélé l'existence d'une répulsion électrostatique dans le double filament anti-parallèle. On pense que cette force répulsive améliore la mobilité des filaments FTSZ, leur permettant de maintenir leur nature dynamique sans aucune interférence.
L'équipe a également capturé la dynamique en temps réel de l'interaction ZAPA-FTSZ. L'interaction s'est avérée de nature dynamique, avec une liaison et une dissociation répétées, ce qui aide à maintenir la mobilité des filaments. Ils ont décrit l'interaction comme une liaison coopérative. « Une fois que ZAPA se lie au FTSZ, un certain changement structurel est observé. Cela rend la molécule FTSZ adjacente plus accessible pour la prochaine molécule ZAPA, « dit le professeur Matsumura tout en expliquant l'interaction coopérative.
Cette étude a révélé le mécanisme complexe de la division des cellules bactériennes, ouvrant la voie au développement de nouveaux agents antibactériens. L'étude met également en évidence la synergie entre la microscopie cryo-électron et la microscopie à force atomique à grande vitesse, démontrant comment la combinaison de ces outils peut débloquer des mystères insaisissables au niveau cellulaire. Dans l'ensemble, les résultats de cette étude font progresser notre compréhension de ce phénomène biologique essentiel et ouvrent la voie à de futures recherches dans ce domaine.
