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Die Mechanik stäbchenförmiger dünner Schalen

Stäbchenförmiges Wachstum erfordert letztlich einen Symmetriebruch, der durch Richtungsabhängigkeit in den Materialeigenschaften der Zellwand, durch Spannungen, die Organisation der Synthesemaschinerie oder eine beliebige Kombination dieser Faktoren entstehen kann. Physikalische Modelle für die Morphogenese von Zellen mit Zellwänden betrachten die Zelle als eine dünne viskoelastische Hülle, die durch den Turgordruck von innen gleichmäßig aufgebläht wird. Für die Vorhersage der Zellform, die sich aus einem bestimmten Wachstumsmechanismus ergibt, ist es von entscheidender Bedeutung, die Verteilung der Kräfte aufgrund des Turgordrucks, die ausgleichenden Kräfte der Wanddehnung und die Art und Weise, wie die Materialeigenschaften der Wand diese Kräfte mit dem Ausdehnungsgrad verbinden, zu berücksichtigen. Bei einem linear elastischen Material ist die Spannung σ (Kraft pro Flächeneinheit) über den Elastizitätsmodul mit der mechanischen Dehnung ε (Dehnungsanteil) verbunden:

ein Maß für die Eigensteifigkeit des Materials, ähnlich der Kraftkonstante k einer Feder (für die nach dem Hooke’schen Gesetz gilt: k = F/x, wobei F die Kraft ist, die erforderlich ist, um die Feder um einen Betrag x zu dehnen). In einer elastischen dünnen Schale sollten die Spannungen mit zunehmendem Zellradius r und mit dem Turgordruck P zunehmen und mit größerer Zellwanddicke d abnehmen. In einer Kugelschale sind die Spannungen in jeder Richtung gleich. Im Gegensatz dazu diktiert die Geometrie einer zylindrischen Schale, dass die Umfangsspannungen (σ r ) doppelt so groß sind wie die Längsspannungen (σ l ) (Abbildung 1c):

Kombiniert man die Gleichungen 1 und 2, so sagen diese Modellbeziehungen voraus, dass die Umfangs- und Längsspannungen (ε r bzw. ε l ) linear von der Breite und dem Turgordruck und umgekehrt von der Wanddicke abhängig sein sollten. Wenn der Elastizitätsmodul in jeder Richtung gleich ist (mechanisch isotrop), dann sollte ε r doppelt so groß wie ε l sein.

Diese Beziehung zwischen den Dehnungen in verschiedenen Richtungen wurde verwendet, um die mechanischen Eigenschaften der Zellwand von stäbchenförmigen Zellen zu untersuchen. Bei Spalthefen zeigt die Messung des Schrumpfungsgrades der Zellen bei Verringerung des Turgordrucks dieses vorhergesagte Verhältnis von 2:1, was darauf hindeutet, dass sich die Zellwand in diesen Zellen wie ein isotropes Material verhält (Atilgan und Chang, unveröffentlichte Beobachtungen). Im Gegensatz dazu zeigen Zellen in stäbchenförmigen Bakterien wie E. coli und B. subtilis ein höheres Maß an Längsdehnung als an radialer Dehnung, was auf mechanische Anisotropie (oder Richtungsabhängigkeit) hinweist, mit größerer Steifigkeit in Umfangsrichtung im Vergleich zur Längsrichtung. Diese Beobachtungen stimmen mit Kryo-Elektronentomogrammen überein, die zeigen, dass die Zellwand von E. coli so organisiert ist, dass die steiferen Komponenten (Glykanstränge) in Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Es wird interessant sein, herauszufinden, ob es in Pflanzenzellwänden eine mechanische Anisotropie gibt oder ob sie eher der Zellwand von Spalthefen ähneln.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Anisotropie des Wachstums (Dehnung entlang nur einer Achse) entweder mit anisotropem oder isotropem Wandmaterial auftreten kann; tatsächlich kann isotropes Material verwendet werden, um praktisch jede Zellform zu konstruieren. Außerdem können die mechanischen Eigenschaften der Zellwand weitaus komplexer sein als die einfachen Skalierungsbeziehungen, die wir oben beschrieben haben. So folgt die Beziehung zwischen Spannungen und Dehnungen bei ausreichend großen Dehnungen nicht mehr der Gleichung 1. Jüngste rasterkraftmikroskopische Messungen deuten darauf hin, dass die E. coli-Zellwand im druckbeaufschlagten Zustand nichtlineare Eigenschaften aufweist, die der Zelle helfen können, sich während eines hypoosmotischen Schocks nicht auszudehnen. Auch die Annahme einer konstanten Dicke der dünnen Schale kann sich als falsch erweisen, insbesondere während der Septierung aufgrund von Unterschieden in der Art des Wandaufbaus an der Scheidewand. Letztlich müssen diese mechanischen Eigenschaften mit den Mustern der Insertion und des Umbaus der Wand in Einklang gebracht werden, die sowohl die Zellwanddicke verändern als auch zu einer viskoelastischen Reaktion führen können, bei der das Wandmaterial bei Belastung wie eine viskose Flüssigkeit fließt. Daraus ergibt sich eine Vielzahl potenzieller Wachstumsmechanismen in ummauerten Zellen. Biophysikalische Modelle können überprüfbare Vorhersagen für die Beziehungen zwischen Turgordruck, Wachstumsmustern und der Verteilung von Dehnungen und Wachstumsrate über die Zelloberfläche liefern.

Wachstum durch zylindrische Dehnung

In vielen Bakterien wird das Zellwachstum durch Einfügung neuen Zellwandmaterials an Stellen im gesamten zylindrischen Teil der Zellwand erreicht, während die Einfügung an den Zellpolen verringert ist. Der unter dem Gesichtspunkt des Zellwandwachstums am besten untersuchte Organismus ist E. coli, wobei sich mehrere Berichte auf die Biochemie, den Synthesemechanismus, die Morphologie und die physikalischen Merkmale der Zellwand konzentrieren. Wie die meisten Bakterien hat auch E. coli eine Zellwand, die aus Peptidoglycan besteht, einem makromolekularen Netzwerk aus Zuckersträngen (Glykanen), die durch kurze Peptide vernetzt sind. Wie bereits erwähnt, sind die steiferen Glykanstränge in Umfangsrichtung ausgerichtet, so dass die Zellwand zusätzlich zur Wachstumsanisotropie der Stäbchenform mechanisch anisotrop ist. Das Zytoskelettprotein MreB, ein Homolog des eukaryotischen Aktins, bewegt sich annähernd in Umfangsrichtung entlang der Innenseite der Zytoplasmamembran, und das auf die Zellwand abzielende Antibiotikum Mecillinam hemmt diese Bewegung, was auf ein Modell hindeutet, bei dem die MreB-Spuren die Pfade der Einfügung von neuem Material in die Seitenwand anzeigen. Darüber hinaus verdrehen sich E. coli-Zellen bei ihrer Dehnung in einer von MreB abhängigen Weise, was auf die Ausrichtung der Glykanstränge mit einer leichten Winkelverschiebung weg von der Umfangsrichtung zurückzuführen ist. In B. subtilis wurde eine ähnliche Kopplung der MreB-Bewegung mit der Zellwandsynthese und der Verdrehung (mit entgegengesetzter Händigkeit) beobachtet, was auf gemeinsame Regeln mit E. coli für die Schaffung von Ordnung innerhalb der Wand trotz der unterschiedlichen Wanddicke hindeutet. Es ist nicht bekannt, ob das MreB-gesteuerte Muster der Zellwandeinfügung auch dazu beiträgt, dass die Zelle ihre Breite während des Wachstums bestimmt und/oder beibehält, obwohl Mutationen in mreB zu Stäbchen unterschiedlicher Größe führen können.

Eine vorhergesagte Folge der zylindrischen Dehnung ist exponentielles Wachstum, bei dem einzelne lange Zellen schneller wachsen als kurze. In der Tat dehnen sich E. coli-Zellen exponentiell aus, wenn die Teilung blockiert ist, und scheinen dies auch bei normalem Wachstum und normaler Teilung zu tun. Exponentielles Wachstum könnte von einem Organismus erwartet werden, dessen Wachstumszone sich proportional zum Wachstum der Zelle vergrößert; interessanterweise ergibt sich aus der Natur des exponentiellen Wachstums (L = L02t/τ, wobei τ die Verdopplungszeit ist), dass 1/L (dL/dt) = (ln 2)/τ unabhängig von L konstant ist, was darauf hindeutet, dass es keine bevorzugte Längenskala für eine bestimmte Verdopplungszeit gibt.

E. coli ist zusammen mit dem gekrümmten Bakterium Caulobacter crescentus ein Hauptgegenstand theoretischer und rechnerischer Untersuchungen der bakteriellen Morphogenese gewesen. Die Modelle lassen sich in zwei große, sich ergänzende Klassen einteilen: grobkörnige Molekulardynamiksimulationen der Wandmechanik und des Wachstums, die durch hypothetische Mechanismen der molekularen Koordination und/oder experimentelle Messungen der Zellwand-Insertionsmuster motiviert sind, und mechanochemische Finite-Elemente-Modelle, die den Wandumbau mit mechanischer Entspannung verbinden, um potenzielle Instabilitäten und Skalierungsbeziehungen zwischen Zelldimensionen und Wachstumsparametern vorherzusagen. Ein Modell, das das Gleichgewicht zwischen der chemischen Energie, die während des Einfügens freigesetzt wird, und der Änderung der Dehnungsenergie aufgrund der neuen Geometrie nach dem Wachstum berücksichtigt, sagt eine stabile Breite und Wachstumsrate für stäbchenförmiges Wachstum voraus, die mit Messungen von E. coli und B. subtilis bei vernünftiger Wahl der Parameter übereinstimmt. Simulationen auf der Grundlage dieses Modells deuten darauf hin, dass MreB eine nach innen gerichtete Kraft auf die Zellwand ausübt, die Instabilitäten im Wachstum aufgrund des Turgordrucks verhindert. Computermodelle legen im Allgemeinen nahe, dass eine robuste Formbestimmung die Koordination des Zellwandeinbaus erfordert, und Simulationen auf molekularer Ebene deuten darauf hin, dass die MreB-Bewegung dazu beitragen kann, die Breite der Zelle entlang des Zellkörpers zu erhalten, insbesondere bei Störungen wie dem osmotischen Schock.

Wachstum durch Zellspitzenverlängerung

Im Gegensatz zu E. coli wachsen einige stäbchenförmige Zellen durch den Einbau neuer Zellwand und Membran an den Zellspitzen, während die Seitenwand relativ träge ist. Die Mechanismen des Spitzenwachstums wurden bei vielen ummauerten Organismen untersucht, darunter S. pombe, Hyphenpilze, Moose und Pollenschläuche sowie bei Bakterien wie A. tumefaciens. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass das Spitzenwachstum durch einen hohen Turgordruck angetrieben wird, der die Zellwand an der Spitze ausdehnt, gekoppelt an die Zugabe von neuem Material und den Umbau von altem Material durch eine Vielzahl von intrazellulären Faktoren (Abbildung 1b).

Physikalische Modelle des Spitzenwachstums haben postuliert, dass eine stäbchenartige Form durch das Einsetzen einer weicheren, gelartigen Wand an der Spitze der Zelle gebildet wird, die dann zu einem steiferen Netzwerk an den Seiten der Zellen reift ,-. Die morphogenetischen Parameter, die die Form der Zellspitze bestimmen, sind dann durch das Gleichgewicht zwischen Reifung, Druck und Einfügung miteinander verbunden, wobei die Erhaltung der Masse eine Einschränkung darstellt. Einige verallgemeinerte biophysikalische Modelle des Spitzenwachstums wurden über die molekularen Details und die Struktur eines bestimmten Systems hinaus abstrahiert und sind daher nützlich, um Skalierungsgesetze in Bezug auf die Spitzenform, die Zellgröße und die Wachstumsrate zu erstellen, die anhand von Vergleichsstudien zwischen verschiedenen Arten getestet und validiert werden können (Abbildung 2). In einer neueren Studie wird vorhergesagt, dass der maximale Krümmungsradius der Spitze R A mit 1/P skaliert, während der Zellradius mit (a2/P)1/3 skaliert, wobei a die Größe des Bereichs ist, in dem neues Material ausgeschieden wird. Daraus ergibt sich ein Verhältnis zwischen den beiden Größen:

wobei R und R A anhand von Zellbildern leicht messbar sind. In diesem Modell wird angenommen, dass die Wandviskosität eine feste Funktion des Winkels um die Zellspitze ist, unabhängig von anderen Parametern; es bleibt abzuwarten, wie empfindlich die Vorhersagen auf diese Annahme reagieren. Dennoch ist es faszinierend, dass verschiedene Pilzarten und Pflanzenpollenschläuche alle eine lineare Beziehung zwischen R und R A (R A /R konstant) aufweisen; wenn Gleichung 3 zutrifft, implizieren diese Daten, dass die Größe a der Insertionszone ebenfalls mit R skaliert und eng verwandte Arten sogar ähnliche Steigungen aufweisen. In Übereinstimmung mit diesen Modellen sind die Zellwandsynthasen in Pollenschläuchen und in S. pombe an den wachsenden Zellspitzen lokalisiert, wo sie neues Wandmaterial einführen. In Pollenschläuchen haben rasterkraftmikroskopische Messungen einen Gradienten der Zellwandsteifigkeit ergeben, bei dem die Wand am Apex am weichsten ist. Obwohl solche Messungen bei Spalthefen nicht durchgeführt wurden, deuten Wandfärbungen wie Calcofluorweiß ebenfalls auf einen Gradienten der Zellwandsteifigkeit hin. Darüber hinaus stimmen die Muster der Migration von Referenzmarkern entlang der Zelle während des Wachstums mit mechanischen Modellen der Ausdehnung einer Halbkugel zu einem Zylinder überein, was den Nutzen der Bildgebung dynamischer Wachstumsmuster zur Untersuchung morphogenetischer Mechanismen veranschaulicht.

In S. pombe wurden komplexe molekulare Netzwerke identifiziert, die die Zellform modulieren und daher auf einer gewissen Ebene an der Regulierung der Zellwandmaschinerie beteiligt sein könnten. Zu den wichtigsten zellulären Prozessen gehören Exozytose, Endozytose, Aktin- und Mikrotubuli-Zytoskelette und kleine GTPasen wie Rho und Cdc42 (siehe Übersicht). Cdc42 kann den Aktin- und Membranverkehr regulieren, um sekretorische Vesikel, die Zellwandsynthasen, Zellwandvorläufer und Membranen enthalten, zur Wachstumsstelle zu leiten (Abbildung 1b). Obwohl man annimmt, dass sowohl Aktin als auch Mikrotubuli Kräfte ausüben, die die Plasmamembran in tierischen Zellen schieben und verzerren, gibt es kaum Hinweise darauf, dass sie Zellen mit Wänden durch direkte Kraftausübung formen. Stattdessen spielt Aktin mindestens zwei entscheidende Rollen beim polarisierten Zellwachstum: als Bahnen für den Myosin-basierten Transport von Vesikeln zur Zellspitze und für die Endozytose . Mikrotubuli spielen in einigen Pilzen, wie Aspergillus und Ustilago, eine direkte Rolle beim polarisierten Transport von Vesikeln. In S. pombe spielen Mikrotubuli eine regulierende Rolle bei der Polarität, indem sie Tea-Proteine ablagern, die Aktin und Cdc42 an den Zellspitzen regulieren, und unter bestimmten Umständen die Bildung einer Verzweigung steuern können. In mathematischen Modellen wurde untersucht, wie die Tea-Proteine als Landmarken fungieren, um Gradienten von aktiviertem Cdc42 aufzubauen. Interessanterweise wurde beobachtet, dass die Cdc42-Aktivität zwischen den beiden Zellspitzen mit einer Zeitskala von etwa fünf Minuten oszilliert, was durch positive und negative Rückkopplungsschleifen modelliert werden kann. Es ist nicht bekannt, ob das Wachstum von Spalthefen mit diesen Cdc42-Oszillationen variiert, obwohl Pollenschläuche und einige Hyphenpilze ein Spitzenwachstum in oszillierenden Impulsen aufweisen. Darüber hinaus weisen einige Mutanten mit veränderter Cdc42-Aktivität veränderte Zellbreiten auf, was auf ein Modell hindeutet, bei dem ein Gradient der Cdc42-Aktivität an den Zellspitzen die Breite des Stabes bestimmt. Wie räumliche Muster von Polaritätsfaktoren wie Cdc42 die Zellform durch Zellwandwachstum steuern, ist noch wenig bekannt.

Die Abmessungen von Stäbchen

Zelluläre Abmessungen wie Breite, Länge und Zellwanddicke variieren stark zwischen verschiedenen Organismen, was sich möglicherweise auf die Verteilung von Spannungen und damit auf die resultierende Zellform auswirkt. Daher ist die Quantifizierung der Verteilung dieser Zellabmessungen zusammen mit morphologischen Merkmalen wie dem Krümmungsprofil des Zellkörpers und der Zellspitze von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung und Gegenüberstellung von Wachstumsmechanismen. Kürzlich wurden computergestützte Werkzeuge entwickelt, die eine schnelle, automatisierte Analyse großer Zellpopulationen mit einer Auflösung im Sub-Pixel-Bereich ermöglichen. Um die Variabilität der absoluten Zellgrößen zwischen Bakterien- und Pilzarten zu veranschaulichen, haben wir Zellen abgebildet und ihre Form mit Hilfe eines gemeinsamen Matlab-basierten Berechnungsrahmens analysiert, der zuvor für die Quantifizierung der Zellbreite bei Bakterien verwendet wurde (Abbildung 3a). Diese Messungen ermöglichten es uns auch, die Krümmung der Zellkontur zu messen; wir stellten fest, dass bei sich verjüngenden Zellen (z. B. bei Schizosaccharomyces japonicus) die Seiten gerade blieben, während die Pole unterschiedliche Krümmungen aufwiesen (Abbildung 3b). Das Seitenverhältnis ist bei den untersuchten Bakterien und bei S. pombe in etwa gleich, obwohl andere Pilze wie S. japonicus ein etwas gedrungeneres Seitenverhältnis aufweisen.

Quantitative Messungen des Turgordrucks und der Zellwandeigenschaften sind ebenfalls entscheidend für das Verständnis der Mechanismen zur Bestimmung der Zellform. Obwohl der Turgordruck in großen Pflanzenzellen direkt gemessen wurde, mussten aufgrund der geringeren Größe von Bakterien und Hefen indirekte Methoden zur Schätzung des Turgordrucks entwickelt werden. Wandständige Organismen scheinen unter einem Turgordruck von einigen wenigen bis einigen zehn Atmosphären zu wachsen. Entsprechend der Notwendigkeit, diesen Turgorspannungen standzuhalten, haben ihre Wände Elastizitätsmoduln von Dutzenden bis Hunderten von MPa (1 atm = 0,1 MPa) und versteifen sich potenziell unter Belastung. Die Zellwand von E. coli hat einen Elastizitätsmodul von 25 bis 100 MPa, und die Zellen erfahren einen Turgordruck von etwa 1 atm. Interessanterweise haben B. subtilis-Zellen einen Turgordruck, der etwa 10-mal so hoch ist wie der von E. coli, und ihre Wände haben einen ähnlichen Elastizitätsmodul, sind aber 10-mal dicker, was darauf hindeutet, dass ihre ähnlichen Formen vielleicht durch ein gemeinsames mechanisches Gleichgewicht von Turgordruck und Wandspannungen entstehen könnten. Jüngste Schätzungen für S. pombe-Zellen gehen davon aus, dass der Elastizitätsmodul bei etwa 50 MPa und der Turgordruck bei 10 bis 15 atm liegt (unsere unveröffentlichten Daten).

Wie die absolute Zellgröße festgelegt wird, ist bei keinem Zelltyp bekannt und bleibt eine der offenen Fragen in der Morphogenese. Wie legen Zellen ihre Größe fest, und inwiefern ist eine bestimmte Größe (wie die Zellform) evolutionär von Vorteil? Es ist klar, dass viele Zellen ihre Größe während ihres Wachstums und ihrer Teilung durch homöostatische Mechanismen festhalten. So beginnen einige Zellen erst dann mit der Teilung oder DNA-Replikation, wenn sie eine minimale Zellgröße erreicht haben, was darauf hindeutet, dass sie ihre eigene Größe oder Geometrie wahrnehmen können. S. pombe-Zellen wachsen bis zu einer Länge von 14 μm, bevor sie in die Mitose eintreten und sich teilen. In jüngster Zeit wurde ein System kortikaler Faktoren, darunter Cdr2 und Pom1, identifiziert, die offenbar die Oberfläche der Zelle in diesem Prozess überwachen. Ähnliche Faktoren wurden auch bei Bakterien vorgeschlagen. Weitere Faktoren, die die Zellgröße beeinflussen, sind mechanische Faktoren wie Zellwandspannung und Turgordruck. Bei einem Bakterium mit einer Größe im Mikrometerbereich wäre eine Zunahme der Zellbreite mit einer Zunahme der Spannung verbunden, die eine Zunahme der Dehnung der Zellwand zur Folge hätte; wenn die mechanischen Eigenschaften oder die Dicke der Zellwand nicht angepasst würden, könnte sich ein Bakterium wahrscheinlich nicht auf die Größe einer S. pombe-Zelle ausdehnen, ohne zu zerreißen. Es wird interessant sein, festzustellen, wie die mechanischen Eigenschaften und die Wanddicke bei eng verwandten Arten unterschiedlicher Größe variieren, z. B. bei Bacillus megaterium (mit einer Breite von etwa 1,5 μm) oder der größeren Spalthefe S. japonicus (Abbildung 3a). Jede Spezies kann also eine bestimmte Größe erreichen, die ihren mechanischen und Wachstumseigenschaften entspricht.

Formung eines Stäbchens aus einer Kugel

Neben der Ausbreitung der Form während des Wachstums kann die Zelle auch vor der Herausforderung stehen, ihre ursprüngliche Form zu etablieren. Es wurden mehrere Systeme entwickelt, um die Bildung der Stabform de novo zu untersuchen. Wenn S. pombe-Sporen keimen, schwellen sie im Allgemeinen zu einer fast kugelförmigen Form an und bilden dann einen Vorsprung, der sich schließlich zu einem Stab mit der richtigen Breite ausdehnt. Mechanische Anisotropie, die durch einen Bruch in der Sporenwand verursacht wird, und eine lokale Akkumulation von Cdc42-Aktivität können das anfängliche Wachstum des Vorsprungs auslösen. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie die Dimensionen und die Form des hervorstehenden Stabs zustande kommen. Ein weiteres Beispiel für die de novo-Formgebung ist die Regeneration von Sphäroplasten. Nach Entfernung der Zellwand ist der resultierende Sphäroplast von S. pombe kugelförmig; wenn sich die Wand regeneriert, wächst aus der größeren runden Zelle der ersten Generation ein Stab mit der richtigen Breite. Auch Bakterien sind in der Lage, sich zu Stäbchen zu regenerieren. Im Gegensatz zu Hefe übergehen bakterielle Sphäroplasten im Laufe einiger Generationen von einer amorphen Form in eine stabförmige Zelle mit Wänden, und es wurde kürzlich gezeigt, dass diese Umkehrung in eine Stabform bei B. subtilis von einem völlig wandlosen Zustand ausgehen kann. Dieses Verhalten zeigt, dass die Form und die Abmessungen der Zelle durch robuste intrazelluläre Mechanismen reguliert werden und nicht nur von der Form der Zellen in früheren Generationen abhängen.

Erhaltung der Breite und Geradehaltung der Stäbchen

Eine Herausforderung für stäbchenförmige Zellen ist die Erhaltung der Zellbreite während des Wachstums. Bei den stäbchenförmigen Bakterien E. coli und B. subtilis, die sich beide entlang des zylindrischen Teils der Zelle ausdehnen, bleibt die Zellbreite selbst bei fadenförmigen Zellen, die auf eine Länge von fast 100 Mikron anwachsen, konstant. Eine ähnliche Beibehaltung der Breite ist bei S. pombe und in Pflanzenpollenschläuchen zu beobachten. Bei spitzwüchsigen Stäbchen muss die Wachstumszone der Spitze konstant bleiben. Bei Bakterien wie E. coli muss das Wachstum mit der Ausdehnung koordiniert werden, damit die Breite bei zunehmender Zelllänge erhalten bleibt. In Modellstudien wurde vorhergesagt, dass die Einführung von Stress in das neue Material während des Einbaus notwendig ist, um eine turgorvermittelte radiale Ausdehnung zu verhindern; die Depolymerisation von MreB bewirkt eine allmähliche Zunahme der Zellbreite, was darauf hindeutet, dass MreB bei der Einführung dieses Stresses eine Rolle spielen kann. Entscheidend für die Prüfung dieser Modelle ist die Entwicklung genetischer und chemischer Methoden zur Einstellung der Zellbreite, ohne die stäbchenförmige Gesamtform zu stören.

Eine weitere Herausforderung für stäbchenförmige Zellen ist die Beibehaltung einer linearen Wachstumsachse während der Streckung. Wie kann eine Zelle die „Geradheit“ überwachen? In E. coli-Zellen lokalisiert sich das aktinähnliche MreB-Zytoskelett bevorzugt in Regionen mit negativer Gauß’scher Krümmung, was darauf hindeutet, dass MreB-Polymere die Zellkrümmung wahrnehmen und die Zelle aktiv begradigen, indem sie die Einfügung der Zellwand auf der Grundlage der lokalen Geometrie an bestimmte Stellen der Zelloberfläche lenken. In S. pombe hält das Mikrotubuli-Zytoskelett die Zellen möglicherweise gerade, indem es das Zellwandwachstum an den Zellspitzen koordiniert; die Mikrotubuli erstrecken sich über die gesamte Länge der Zelle und transportieren Polaritätsfaktoren, wie die Tea-Proteine, zu den Spitzen. Mutanten mit abnorm kurzen Mikrotubuli oder ohne Tea-Proteine wachsen oft in einer gekrümmten Form oder bilden manchmal eine abnormale Wachstumszone an der Seite der Zelle, was zur Bildung eines verzweigten, T-förmigen Phänotyps führt, was darauf hindeutet, dass Mikrotubuli zur Geradheit beitragen, indem sie die richtigen Wachstumszonen an den beiden Zellspitzen koordinieren. Insgesamt ist das Zytoskelett sowohl bei Prokaryonten als auch bei Eukaryonten zumindest teilweise für die Aufrechterhaltung der Zellform verantwortlich, indem es lokale Wachstumsmuster mit der globalen Morphologie koordiniert.

Neubildung der Enden: ein mechanischer Mechanismus

Die Enden vieler stäbchenförmiger Zellen sind ungefähr halbkugelförmig, mit Abmessungen, die den zylindrischen Teilen der Zelle entsprechen. Während das wachsende Ende einer spitzwüchsigen Zelle durch viele intrazelluläre Faktoren reguliert wird, die den fortschreitenden Umbau der Zellwand modulieren, liefert die Bildung des neuen Zellendes in S. pombe ein Beispiel dafür, wie der Turgordruck selbst die Zellwand formen kann. Während der Zytokinese wird an der Teilungsstelle ein Zellwandseptum gebildet, das von dem auf Aktin basierenden kontraktilen Ring geführt wird. Danach wird ein Teil des Septums abgetragen, um die Zelltrennung herbeizuführen; unmittelbar nach der Trennung ändert sich die flache Form des Septums in das abgerundete neue Ende. Diese Morphologie, die sich von der etwas spitzeren Form der wachsenden Zellspitze unterscheidet, wird möglicherweise durch einen vorwiegend mechanischen Mechanismus erzeugt, bei dem der Turgordruck die Zellwand aufbläht (unsere unveröffentlichten Beobachtungen). Es wird interessant sein zu sehen, ob Gram-positive Bakterien, die eine dickere Zellwand als Gram-negative haben und ein Septum ähnlich wie in S. pombe bilden, ihre neuen Enden ebenfalls auf turgor-vermittelte Weise formen. Im Gegensatz dazu verengen sich E. coli-Zellen in der Zellmitte, lange vor der Zelltrennung. Diese Verengung wird durch das Tubulin-Homolog FtsZ vermittelt und ist mit einem fortschreitenden Umbau der Zellwand verbunden, wodurch eine halbkugelförmige polare Morphologie entsteht.