Wie kann sich E. coli so schnell vermehren?

Obwohl Escherichia coli nur einen Replikationsursprung (oriC) hat, läuft die Replikation von diesem in beide Richtungen ab. Basierend auf Ihren Berechnungen dauert die DNA-Replikation also 40 Minuten (was immer noch zu lange ist, wenn die Verdopplungszeit 30 Minuten beträgt). Die Lösung besteht darin, die Replikation erneut zu starten, bevor die vorherige Runde abgeschlossen ist, und hier sind einige Untersuchungen, die genau das zeigen:

Yoshikawa H, O'Sulliven A, Sueoka N. 1964. Sequential replication of the Bacillus subtilis chromosome. Prod. Nat. Acad. Sci. 52: 973-980

Offensichtlich ist die dichotome Replikation für das Bakterienwachstum vorteilhaft, da die Bakterien Chromosomen schneller replizieren können, als wenn sie einen Replikationspunkt haben. Bei einem Replikationspunkt wäre die Replikationszeit und folglich die Zellgenerationszeit durch die maximale DNA-Polymeraserate begrenzt.

Cooper S, Helmstetter CE. 1968. Chromosomenreplikation und Teilungszyklus von Escherichia coli B/r. J. Mol. Bio. 31(3): 519–540

… Zellen, die pro Verdopplung schneller als 40 Minuten wachsen, müssen neue Replikationspunkte initiieren, bevor die DNA-Synthese an den vorherigen Punkten abgeschlossen ist; Mit anderen Worten, es sollten mehrere Gabeln vorhanden sein.

Skarstad K, Boye E, Steen HB. 1986. Zeitpunkt der Initiation der Chromosomenreplikation in einzelnen Escherichia coli-Zellen. EMBO J 5(7):1711-1717

In schnell wachsenden Kulturen mit paralleler Replikation mehrerer Chromosomen werden Zellen mit 2n (n = 1, 2, 3) Chromosomen enden, wenn die Initiation an allen Ursprüngen gleichzeitig erfolgt. Eine Kultur mit asynchroner Initiation kann zusätzlich Zellen mit unregelmäßigen Chromosomenzahlen (ungleich 2n) enthalten. Die Häufigkeit von Zellen mit unregelmäßiger Chromosomenzahl ist ein Maß für den Grad der Asynchronität der Initiation.

Fossum S, Crooke E, Skarstad K. 2007. Organisation von Schwesterursprüngen und Replisomen während der Multifork-DNA-Replikation in Escherichia coli. EMBO J 26(21):4514-4522

…Initiation erfolgt an zwei Ursprüngen in der „Mutter“-Zelle. Es kann sogar in der „Großmutter“-Zelle an vier Ursprüngen auftreten, wenn die Zeit, die für die Replikation und Trennung des Chromosoms benötigt wird, zwei Generationen überschreitet.

Dieses letzte Bild ist interessant, weil Sie tatsächlich die multiplen Replikationsursprünge in einzelnen Zellen durch Fluoreszenzmikroskopie sehen.

Die Zellteilungsraten können die DNA-Replikationsraten übersteigen, da die DNA-Replikation parallel erfolgen kann , während die Zellteilung immer seriell ist. In einem kreisförmigen Chromosom wie E. coli beginnt die Replikation am Replikationsursprung. Sobald der Ursprung repliziert ist, kann dort eine weitere Chromosomenreplikation initiiert werden, während die erstere noch nicht einmal abgeschlossen ist. Diese parallele Replikation ermöglicht daher Zellteilungsraten, die die Chromosomenduplikationsgeschwindigkeit übersteigen.

^{Verzweigte Replikation in E. coli . Quelle: Fossum et al . (2007)}

_{Referenz
– Fossum et al ., EMBO-Journal (2007); 26 : 4514–22}