Resumen de Biophysical models for bacterial FtsZ filaments
El descubrimiento del citoesqueleto bacteriano es relativamente%&/reciente, se produjo hace aproximadamente 20 años. La proteína MreB,%&/encargada de estabilizar la forma del citoesqueleto, y la proteína%&/FtsZ, relacionada con el proceso de división, son los dos%&/constituyentes principales del citoesqueleto. FtsZ, frecuentemente%&/descrita como la antecesora de la tubulina, juega un papel crucial en%&/el proceso de división de las células procariotas. Presente en todas%&/las células bacterianas, la proteína FtsZ se polimeriza y une al%&/interior de la membrana bacteriana. Una vez en la membrana y como paso%&/previo a la división celular la proteína forma un anillo constrictor,%&/conocido como anillo septal o anillo-Z, que es el encargado de iniciar%&/el proceso de invaginación de la membrana.%&/La polimerización de FtsZ requiere del nucleótido GTP que sirve como%&/``pegamento`` entre dos monómeros. Seguidamente se suele hidrolizar en%&/GDP para a continuación intercambiarse con otro nucleótido GTP de%&/forma que el enlace entre monómeros de FtsZ se mantenga estable. Este%&/proceso junto con el intercambio entre dos monómeros de FtsZ (algo%&/bastante frecuente) contribuye a la naturaleza dinámica de los%&/polímeros de FtsZ dando como resultado una gran variedad de%&/estructuras que dependen de las condiciones físico-químicas del%&/entorno. Filamentos simples o dobles, rectos o curvados, anillos,%&/espirales y estructuras de tipo lazo han sido observadas in vitro%&/mediante imágenes de microscopía electrónica (EM). En los últimos%&/años el estudio de filamentos de FtsZ adsorbidos en superficies%&/sólidas mediante técnicas de microscopía de fuerzas atómicas (AFM) ha%&/abierto una nueva y potente línea de investigación experimental. Las%&/estructuras formadas por la proteína pueden ahora ser observadas bajo%&/condiciones de equilibrio dinámico, algo que no era posible usando EM.%&/Además nuevos experimentos en sistemas biosintetizados han demostrado%&/los efectos constrictores de FtsZ en liposomas artificiales.%&/Inmerso en este escenario de información experimental que evoluciona%&/rápidamente este trabajo de tesis se ha centrado en el desarrollo de%&/modelos teóricos que han sido directamente contrastados con%&/información experimental. Hemos estudiado los dos procesos%&/complementarios que tienen lugar en el proceso de constricción. Por un%&/lado los filamentos de FtsZ junto con el mecanismo que produce el%&/anillo-Z y la consiguiente generación de una fuerza constrictiva. Por%&/otro lado se ha analizado la reacción de la membrana bacteriana a la%&/aplicación de dicha fuerza.%&/En la primera parte de la tesis los filamentos de FtsZ se han modelado%&/como cuentas en una cadena que interaccionan unas con otras.%&/Basándonos en el análisis de una serie de imágenes de AFM hemos podido%&/modelar el filamento con el mínimo número de interacciones entre%&/monómeros que se necesitan para reproducir de forma satisfactoria las%&/tendencias encontradas en los experimentos: enlaces fuertes entre%&/proteínas adyacentes, una curvatura de enlace espontánea, cierta%&/flexibilidad del filamento y, aparentemente, una atracción lateral%&/entre cadenas. Los parámetros del modelo han sido determinados%&/analizando resultados experimentales obtenidos bajo diferentes%&/condiciones como por ejemplo cambios en la concentración de proteínas,%&/el valor del pH o el tipo de nucleótido encargado del enlace entre%&/diferentes monómeros. Hemos conseguido reproducir las diferentes%&/estructuras que forman los filamentos de FtsZ mediante simulaciones de%&/dinámica de Langevin y hemos explorado la forma y dinámica de los%&/filamentos sobre la superficie de un cilindro (modelo útil para%&/reproducir la forma de las bacterias). También hemos estimado la%&/magnitud de la fuerza radial constrictiva generada por un anillo-Z que%&/optimiza los contactos laterales.%&/En la segunda parte de la tesis hemos estudiado la deformación de una%&/membrana como consecuencia de la fuerza constrictiva mencionada%&/anteriormente. La pared de una célula bacteriana está constituida por%&/diferentes capas cuyo rol en la división celular no está todavía%&/completamente esclarecido. Nuestro análisis se ha limitado a la parte%&/interna de la membrana celular bacteriana, donde se une el anillo-Z y%&/comienza la invaginación. Hemos minimizado el Hamiltoniano de Helfrich%&/para membranas líquidas en geometría cilíndrica junto con un anillo de%&/fuerza perpendicular al eje del cilindro bajo diferentes condiciones%&/de contorno. Hemos comenzado el estudio con la deformación de un%&/liposoma tubular libre, donde ha sido posible la comparación con%&/experimentos recientes realizados in vitro. También se ha analizado%&/cuáles son los efectos de la diferencia entre las presiones osmóticas%&/en el interior y el exterior de la célula así como la ligadura%&/impuesta por una pared bacteriana rígida.
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