Estudio de la dinámica, termodinámica y resistencia mecánica del complejo FtsZ-ZipA de Escherichia coli

Abstract

El divisoma está compuesto por alrededor de veinte proteínas que en conjunto llevan a cabo la división celular en la mayoría de los microorganismos. El ensamblaje y desensamblaje de las proteínas del divisoma es un proceso altamente dinámico y ordenado, por lo que es de vital importancia la unión de las primeras proteínas. FtsZ es una proteína citosólica y la primera en ensamblarse en el divisoma y es anclada a la membrana de la bacteria por la proteína bitópica ZipA. FtsZ polimeriza para formar estructuras llamadas protofilamentos en el ecuador de la bacteria, que dan origen al anillo Z. La torción y curvatura de los protofilamentos de FtsZ, generan fuerza y se ha propuesto que esta fuerza puede tener un rol en la estrangulación de la bacteria durante la división. A pesar de lo anterior, no se ha estudiado como el recambio dinámico de proteínas en el divisoma, particularmente la asociación y disociación de FtsZ a su proteína ancla ZipA podría ser compatible con un rol generador de fuerza. De esta manera, se plantea la siguiente hipótesis: Los valores termodinámicos, la fuerza de disociación y la naturaleza de la interacción de FtsZ con ZipA son concordantes con la fuerza ejercida por el anillo Z para la invaginación de la membrana citoplasmática en Escherichia coli. Para comprobar esta hipótesis: 1) se simuló la disociación del complejo por medio de una separación mecánica con el uso de SMD, 2) se determinó la probabilidad de ruptura de la interacción por pinza óptica y se determinaron los parámetros estructurales (distancia al estado de transición de 0,287 ± 0,029 nm) y cinéticos (koff 0,082 ± 0,005 s-1 y τ 12,2 ± 0,7 s) del complejo y 3) mediante ITC se midieron los parámetros termodinámicos (ΔS°’ -8,50 ± 0,91, -TΔS°’-5,63 ± 0,60 kcal/mol y ΔH°’ -2,86 ± 0,31 kcal/mol, ΔG‡ 2,40 ± 0,74). Se concluyó que la interacción FtsZ-ZipA está dominada por un cambio entrópico más bien que entálpico y es lo suficientemente lábil para permitir el intercambio dinámico de FtsZ y ZipA durante la división bacteriana. Se encontró que un solo complejo FtsZ-ZipA no es suficiente para resistir la fuerza generada por los protofilamentos de FtsZ para invaginar la membrana. Por ende, calculamos que al menos un bloque de ocho moléculas de ZipA, ancladas a un protofilamento, serían necesarias para transmitir la fuerza generada por la torción de un protofilamento sobre la membrana, en el sitio de septación.

The divisome is formed by about twenty proteins that together carry out cell division in most microorganisms. The assembly and disassembly of the divisome proteins is a highly dynamic and order process, therefore the binding of the first proteins is extremely relevant. FtsZ is a cytosolic protein and the first to assemble into the divisome, it is anchored to the membrane of bacterium by the bitopic protein ZipA. FtsZ polymerizes at the equator of the cell to form structures called protofilaments, these in turn form the Z ring. The torsion and curvature of the protofilaments of FtsZ generate a force that has been proposed to have a role in bacteria septation during division. Nevertheless, how the dynamic exchange of the divisome proteins, specifically the association and dissociation of FtsZ to the anchor protein ZipA may be compatible with a force generating role has not been elucidated yet. Therefore, we hypothesize that the thermodynamic values, the dissociation force and the nature of the interaction between FtsZ and ZipA are in agreement with the force exerted by the Z ring for membrane invagination. To prove this hypothesis: 1) The dissociation of the complex by mechanical pulling was simulated by SMD, 2) The rupture probability, structural (Distance from bound state to transition state 0,287 ± 0,029 nm) and kinetic koff (0,082 ± 0,005 s-1 y τ 12,2 ± 0,7 s) parameters of FtsZ-ZipA complex were determined by optical tweezers and 3) The thermodynamic parameters (ΔS°’ -8,50 ± 0,91, -TΔS°’-5,63 ± 0,60 kcal/mol y ΔH°’ -2,86 ± 0,31 kcal/mol, ΔG‡ 2,40 ± 0,74) were determined by ITC. We conclude that the FtsZ-ZipA is dominated by an entropic change and is labile enough to allow the dynamic association between FtsZ and ZipA during bacterial cell division. We found that one FtsZ-ZipA complex is not enough to tolerate the force generated by FtsZ protofilaments to invaginate the membrane. We calculate that at least a block of eight ZipA molecules anchored to a protofilament are enough to transfer the force generated by the twisting and turning of FtsZ to the membrane at the division site.