كيف تحصل المستعمرات البكتيرية النامية على أشكالها؟ بينما تتم دراسة تشكل المستعمرات جيدًا في بعدين ، فإن العديد من البكتيريا تنمو كمستعمرات كبيرة في بيئات ثلاثية الأبعاد (3D). ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن أشكال مستعمرات البكتيريا التي تنمو في ثلاثة أبعاد.
الآن، وهو برينستون اخترع الفريق طريقة لمراقبة البكتيريا في البيئات ثلاثية الأبعاد. اكتشفوا أنه مع تكاثر البكتيريا ، تتخذ مستعمراتها باستمرار أشكالًا خشنة تكون أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من تلك التي لوحظت بشكل عام في الأطباق المسطحة. تشبه هذه الأشكال رأس البروكلي المتفرّع.
قال سوجيت داتا ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في برينستون والمؤلف الرئيسي للدراسة ، منذ أن تم اكتشاف البكتيريا منذ أكثر من 300 عام ، قامت معظم الأبحاث المعملية بدراستها في أنابيب الاختبار أو على أطباق بتري. إذا حاولت المشاهدة تنمو البكتيريا في الأنسجة أو التربة ، تكون غير شفافة ، ولا يمكنك رؤية ما تفعله المستعمرة. كان هذا هو التحدي ".
كشف فريق داتا البحثي عن هذا السلوك باستخدام إعداد تجريبي غير مسبوق سمح لهم بإجراء ملاحظات غير مسبوقة للمستعمرات البكتيرية في حالتها الطبيعية ثلاثية الأبعاد. بشكل غير متوقع ، اكتشف العلماء أن نمو المستعمرات البرية يشبه باستمرار تشكيل بلورات أو انتشار الصقيع على زجاج النافذة. هذه الهياكل الخشنة المتفرعة شائعة في جميع أنحاء الطبيعة ، لكنها عادة ما تُرى في سياق توسيع أو تقارب الأنظمة غير الحية.
قال داتا ، "وجدنا أن النمو في المستعمرات البكتيرية ثلاثية الأبعاد تظهر عملية مشابهة جدًا على الرغم من حقيقة أن هذه تجمعات من الكائنات الحية."
قال داتا ، "على المستوى الأساسي ، نحن متحمسون لأن هذا العمل يكشف عن روابط مفاجئة بين تطور الشكل والوظيفة في النظم البيولوجية ودراسات عمليات النمو غير الحية في علم المواد والفيزياء الإحصائية. ولكن أيضًا ، نعتقد أن هذه النظرة الجديدة حول متى وأين تنمو الخلايا ثلاثية الأبعاد ستثير اهتمام أي شخص مهتم بالنمو البكتيري ، كما هو الحال في التطبيقات البيئية والصناعية والطبية الحيوية. "
لعدة سنوات ، عملت مجموعة Datta البحثية على نظام لدراسة الأحداث المخفية عادةً في بيئات غامضة ، بما في ذلك تدفق السوائل عبر التربة. يدعم الفريق نمو البكتيريا في ثلاثي الأبعاد باستخدام الهلاميات المائية المصممة خصيصًا والبوليمرات الماصة للماء المشابهة للجيلو و العدسات اللاصقة. على عكس تلك الإصدارات الشائعة من الهلاميات المائية ، تتكون مواد داتا من كرات صغيرة من الهيدروجيل تتشوه البكتيريا بسهولة ، مما يسمح بالمرور الحر للأكسجين ، والعناصر الغذائية التي تدعم نمو البكتيريا شفافة للضوء.
قال داتا ، "إنها مثل حفرة الكرة حيث كل كرة عبارة عن هيدروجيل فردي. إنها مجهرية ، لذا لا يمكنك رؤيتها. قام فريق البحث بمعايرة تركيبة الهيدروجيل لتقليد بنية التربة أو الأنسجة. الهيدروجيل قوي بما يكفي لدعم نمو المستعمرة البكتيرية دون تقديم مقاومة كافية لتقييد النمو ".
"عندما تنمو المستعمرات البكتيرية في مصفوفة الهيدروجيل ، يمكنها بسهولة إعادة ترتيب الكرات من حولها ، حتى لا يتم حصرها. إنه مثل غرق ذراعك في حفرة الكرة. إذا قمت بسحبها من خلالها ، فإن الكرات تعيد ترتيبها حول ذراعك ".
لدراسة كيفية نمو البكتيريا في ثلاثة أبعاد ، أجرى الباحثون تجارب على أربعة أنواع متميزة من البكتيريا ، بما في ذلك نوع يساهم في النكهة الحمضية للكومبوتشا.
قال داتا ، لقد قمنا بتغيير أنواع الخلايا ، وظروف المغذيات ، وخصائص الهيدروجيل. لقد غيّرنا كل هذه المعايير بشكل منهجي ، ولكن يبدو أن هذه ظاهرة عامة ".
يبدو أن عاملين يتسببان في نمو على شكل بروكلي على سطح مستعمرة. أولاً ، ستنمو البكتيريا التي تتمتع بمستويات عالية من المغذيات أو الأكسجين وتتكاثر بشكل أسرع مما يحدث في بيئة أقل وفرة. حتى البيئات الأكثر اتساقًا لديها بعض الكثافة غير المتكافئة من العناصر الغذائية ، وتتسبب هذه الاختلافات في زيادة البقع في سطح المستعمرة للأمام أو التخلف عن الركب. يتكرر هذا في ثلاثة أبعاد ، مما يتسبب في تكوين المستعمرة البكتيرية نتوءات وعقيدات حيث تنمو بعض المجموعات الفرعية من البكتيريا بسرعة أكبر من جيرانها ".
ثانيًا ، لاحظ الباحثون أن البكتيريا القريبة من سطح المستعمرة فقط هي التي تنمو وتنقسم إلى نمو ثلاثي الأبعاد. يبدو أن البكتيريا المحشورة في مركز المستعمرة تسقط في حالة سبات. نظرًا لأن البكتيريا الموجودة بالداخل لم تكن تنمو وتنقسم ، فإن السطح الخارجي لم يتعرض لضغط من شأنه أن يتسبب في تمدده بالتساوي. بدلاً من ذلك ، فإن توسعها مدفوع بشكل أساسي بالنمو على طول حافة المستعمرة. ويخضع النمو على طول الحافة للتغيرات الغذائية التي تؤدي في النهاية إلى نمو غير منتظم وغير منتظم.
قال أليخاندرو مارتينيز كالفو ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون والمؤلف الأول للصحيفة ، "إذا كان النمو متجانسًا ، ولم يكن هناك فرق بين البكتيريا الموجودة داخل المستعمرة وتلك الموجودة على الأطراف ، فسيكون ذلك مثل ملء بالون. الضغط من الداخل سيملأ أي اضطرابات على الأطراف ".
لتفسير سبب عدم وجود هذا الضغط ، أضاف الباحثون علامة فلورية إلى البروتينات التي تصبح نشطة في الخلايا عندما تنمو البكتيريا. يضيء البروتين الفلوري عندما تكون البكتيريا نشطة وتبقى داكنة عندما لا تكون كذلك. من خلال مراقبة المستعمرات ، رأى الباحثون أن البكتيريا الموجودة على حافة المستعمرة كانت خضراء زاهية ، بينما ظل اللب داكنًا.
داتا محمد, "تقوم المستعمرة بشكل أساسي بالتنظيم الذاتي في قلب وصدفة تتصرفان بطرق مختلفة جدًا."
"النظرية هي أن البكتيريا الموجودة على حواف المستعمرة تلتقط معظم العناصر الغذائية والأكسجين ، تاركة القليل للبكتيريا الداخلية."
"نعتقد أنهم في حالة سبات لأنهم يعانون من الجوع ، على الرغم من أنه حذر من أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف هذا".
وجدت التجارب والنماذج الرياضية التي استخدمها الباحثون حدًا أعلى للنتوءات التي تشكلت على أسطح المستعمرات. ينتج السطح الوعر عن اختلافات عشوائية في أكسجين والمغذيات في البيئة ، ولكن العشوائية تميل إلى أن تكون متساوية في حدود معينة ".
"الخشونة لها حد أعلى لمدى كبر حجمها - حجم الزهيرة إذا قارناها بالبروكلي. تمكنا من توقع ذلك من خلال الرياضيات ، ويبدو أنه سمة حتمية لنمو المستعمرات الكبيرة في ثلاثي الأبعاد ".
"نظرًا لأن النمو البكتيري يميل إلى اتباع نمط مشابه لنمو البلورات والظواهر الأخرى المدروسة جيدًا للمواد غير الحية ، فقد تمكن الباحثون من تكييف النماذج الرياضية القياسية لتعكس نمو البكتيريا. وقال إن الأبحاث المستقبلية ستركز على الأرجح على فهم أفضل للآليات الكامنة وراء النمو ، والآثار المترتبة على أشكال النمو الخام لعمل المستعمرة ، وتطبيق هذه الدروس على مجالات الاهتمام الأخرى ".
"في النهاية ، يمنحنا هذا العمل المزيد من الأدوات لفهم كيفية نمو البكتيريا في الطبيعة والتحكم فيها في النهاية."
المرجع مجلة:
- أليخاندرو مارتينيز كالفو ، عدم الاستقرار المورفولوجي وخشونة المستعمرات البكتيرية ثلاثية الأبعاد. وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم. دوى: X
