Hvordan får voksende bakteriekolonier deres former? Mens kolonimorfogenese er godt undersøgt i to dimensioner, vokser mange bakterier som store kolonier i tredimensionelle (3D) miljøer. Der er dog lidt kendt om kolonimorfologierne af bakterier, der vokser i tre dimensioner.
Nu a Princeton team har opfundet en måde at observere bakterier i 3D-miljøer. De opdagede, at efterhånden som bakterierne formerer sig, antager deres kolonier konsekvent ru former, der er betydeligt mere indviklede end dem, der generelt observeres i flade retter. Disse former ligner et forgrenet hoved af broccoli.
Sujit Datta, en assisterende professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Princeton og undersøgelsens seniorforfatter, sagde: "Lige siden bakterier blev opdaget for over 300 år siden, har de fleste laboratorieforskning studeret dem i reagensglas eller på petriskåle. Hvis du prøver at se bakterier vokser i væv eller jord, de er uigennemsigtige, og du kan ikke se, hvad kolonien laver. Det har været udfordringen.”
Dattas forskerhold afslørede denne adfærd ved hjælp af et banebrydende eksperimentelt setup, der gjorde det muligt for dem at foretage hidtil usete observationer af bakteriekolonier i deres naturlige, tredimensionelle tilstand. Uventet opdagede forskerne, at væksten af de vilde kolonier konstant lignede dannelse af krystaller eller spredning af frost på en rude. Disse ru, forgrenede strukturer er almindelige i hele naturen, men de ses normalt i sammenhæng med ekspanderende eller konvergerende ikke-levende systemer.
Datta sagde, "Vi fandt ud af, at bakteriekolonier vokser i 3D udviser en meget lignende proces på trods af, at disse er kollektiver af levende organismer."
Datta sagde, ”På et grundlæggende niveau er vi begejstrede for, at dette arbejde afslører overraskende sammenhænge mellem udviklingen af form og funktion i biologiske systemer og studier af livløse vækstprocesser i materialevidenskab og statistisk fysik. Men vi tror også, at dette nye syn på, hvornår og hvor celler vokser i 3-D, vil interessere enhver, der er interesseret i bakteriel vækst, såsom i miljømæssige, industrielle og biomedicinske applikationer."
Dattas forskergruppe har i flere år arbejdet på et system til at studere begivenheder, der typisk er skjult i uklare omgivelser, herunder væske, der strømmer gennem jord. Holdet understøtter bakterievækst i 3-D ved at bruge specielt konstruerede hydrogeler og vandabsorberende polymerer, der ligner jello og kontaktlinser. I modsætning til de almindelige versioner af hydrogeler, består Dattas materialer af små kugler af hydrogel, der let deformeres af bakterierne, hvilket giver mulighed for fri passage af ilt, og næringsstoffer, der understøtter bakterievækst, er gennemsigtige for lys.
Datta sagde, "Det er ligesom en boldgrav, hvor hver bold er en individuel hydrogel. De er mikroskopiske, så du kan ikke se dem. Forskerholdet kalibrerede hydrogelens makeup for at efterligne strukturen af jord eller væv. Hydrogelen er stærk nok til at understøtte den voksende bakteriekoloni uden at præsentere tilstrækkelig modstand til at begrænse væksten."
”I takt med at bakteriekolonierne vokser i hydrogelmatrixen, kan de let omarrangere kuglerne omkring dem, så de ikke bliver fanget. Det er som at kaste armen ned i boldgraven. Hvis du trækker den igennem, flytter boldene rundt om din arm."
For at studere, hvordan bakterier vokser i tre dimensioner, gennemførte forskerne forsøg med fire forskellige typer bakterier, herunder en, der bidrager til den sure smag af kombucha.
Datta sagde, "Vi ændrede celletyper, næringsforhold og hydrogelegenskaber. Vi ændrede systematisk alle disse parametre, men det ser ud til at være et generisk fænomen."
"To faktorer syntes at forårsage den broccoliformede vækst på en kolonis overflade. For det første vil bakterier med adgang til høje niveauer af næringsstoffer eller ilt vokse og formere sig hurtigere end i et mindre rigeligt miljø. Selv de mest ensartede miljøer har en ujævn tæthed af næringsstoffer, og disse variationer får pletter i koloniens overflade til at stige fremad eller falde bagud. Gentaget i tre dimensioner får dette bakteriekolonien til at danne bump og knuder, da nogle undergrupper af bakterier vokser hurtigere end deres naboer."
”For det andet observerede forskerne, at kun bakterierne tæt på koloniens overflade voksede og delte sig i tredimensionel vækst. Bakterierne, der var proppet ind i koloniens centrum, så ud til at forfalde til en hvilende tilstand. Fordi bakterierne indeni ikke voksede og delte sig, blev den ydre overflade ikke udsat for tryk, der ville få den til at udvide sig jævnt. I stedet er dens ekspansion primært drevet af vækst langs kanten af kolonien. Og væksten langs kanten er underlagt variationer i næringsstoffer, der til sidst resulterer i ujævn, ujævn vækst."
Alejandro Martinez-Calvo, en postdoc-forsker ved Princeton og avisens første forfatter, sagde: ”Hvis væksten var ensartet, og der ikke var forskel på bakterierne inde i kolonien og dem i periferien, ville det være som at fylde en ballon. Presset indefra ville udfylde eventuelle forstyrrelser i periferien."
For at forklare, hvorfor dette tryk ikke var til stede, tilføjede forskerne et fluorescerende mærke til proteiner, der bliver aktive i celler, når bakterierne vokser. Det fluorescerende protein lyser op, når bakterier er aktive og forbliver mørkt, når de ikke er det. Ved at observere kolonierne så forskerne, at bakterier på koloniens kant var lysegrønne, mens kernen forblev mørk.
Datta sagde, "Kolonien organiserer sig i det væsentlige i en kerne og en skal, der opfører sig på meget forskellige måder."
"Teorien er, at bakterierne på koloniens kanter optager det meste af næringsstofferne og ilten og efterlader lidt til de indre bakterier."
"Vi tror, de går i dvale, fordi de er udsultede, selvom han advarede om, at der var behov for yderligere forskning for at udforske dette."
»De eksperimenter og matematiske modeller, som forskerne brugte, fandt en øvre grænse for de bump, der dannede sig på koloniens overflader. Den ujævne overflade skyldes tilfældige variationer i ilt og næringsstoffer i miljøet, men tilfældigheden har en tendens til at udjævne sig i visse grænser."
"Ruheden har en øvre grænse for, hvor stor den kan vokse - blomsten, hvis vi sammenligner den med broccoli. Vi var i stand til at forudsige det ud fra matematikken, og det ser ud til at være et uundgåeligt træk ved store kolonier, der vokser i 3D."
"Fordi bakterievæksten havde en tendens til at følge et lignende mønster som krystalvækst og andre velundersøgte fænomener af livløse materialer, var forskerne i stand til at tilpasse matematiske standardmodeller til at afspejle bakterievæksten. Han sagde, at fremtidig forskning sandsynligvis vil fokusere på en bedre forståelse af mekanismerne bag væksten, implikationerne af grove vækstformer for koloniens funktion og at anvende disse erfaringer til andre interesseområder."
"I sidste ende giver dette arbejde os flere værktøjer til at forstå og i sidste ende kontrollere, hvordan bakterier vokser i naturen."
Journal Reference:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfologisk ustabilitet og ruhed af voksende 3D-bakteriekolonier. Proceedings of National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
