Wie bekommen wachsende Bakterienkolonien ihre Form? Während die Koloniemorphogenese in zwei Dimensionen gut untersucht ist, wachsen viele Bakterien als große Kolonien in dreidimensionalen (3D) Umgebungen. Allerdings ist wenig über die Koloniemorphologien von Bakterien bekannt, die in drei Dimensionen wachsen.
Nun wird ein Princeton -Team hat eine Möglichkeit erfunden, Bakterien in 3-D-Umgebungen zu beobachten. Sie entdeckten, dass ihre Kolonien bei der Vermehrung der Bakterien immer wieder raue Formen annehmen, die wesentlich komplizierter sind als die, die man normalerweise in flachen Schalen beobachtet. Diese Formen ähneln einem verzweigten Brokkolikopf.
Sujit Datta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Princeton und leitender Autor der Studie, sagte: „Seit Bakterien vor über 300 Jahren entdeckt wurden, hat die Laborforschung sie in Reagenzgläsern oder auf Petrischalen untersucht. Wenn Sie versuchen, zuzusehen Bakterien wachsen in Geweben oder Böden sind diese undurchsichtig, und Sie können nicht sehen, was die Kolonie tut. Das war die Herausforderung.“
Das Forschungsteam von Datta deckte dieses Verhalten mit einem bahnbrechenden experimentellen Aufbau auf, der es ihnen ermöglichte, beispiellose Beobachtungen von Bakterienkolonien in ihrem natürlichen, dreidimensionalen Zustand zu machen. Unerwartet entdeckten die Wissenschaftler, dass das Wachstum der wilden Kolonien ständig dem ähnelte Bildung von Kristallen oder die Ausbreitung von Reif auf einer Fensterscheibe. Diese groben, verzweigten Strukturen sind in der gesamten Natur verbreitet, werden aber normalerweise im Zusammenhang mit expandierenden oder konvergierenden unbelebten Systemen gesehen.
Datta sagte, „Wir haben festgestellt, dass Bakterienkolonien, die in 3D wachsen, einen sehr ähnlichen Prozess zeigen, obwohl es sich um Kollektive lebender Organismen handelt.“
Datta sagte, „Grundsätzlich sind wir begeistert, dass diese Arbeit überraschende Verbindungen zwischen der Entwicklung von Form und Funktion in biologischen Systemen und Studien zu unbelebten Wachstumsprozessen in den Materialwissenschaften und der statistischen Physik aufzeigt. Aber wir glauben auch, dass diese neue Sicht darauf, wann und wo Zellen in 3-D wachsen, jeden interessieren wird, der sich für Bakterienwachstum interessiert, beispielsweise für Anwendungen in der Umwelt, in der Industrie und in der Biomedizin.“
Seit mehreren Jahren arbeitet die Forschungsgruppe von Datta an einem System zur Untersuchung von Ereignissen, die typischerweise in obskuren Umgebungen verborgen sind, einschließlich Flüssigkeiten, die durch Böden fließen. Das Team unterstützt das Bakterienwachstum in 3-D durch die Verwendung speziell entwickelter Hydrogele und wasserabsorbierender Polymere ähnlich wie Wackelpudding und Kontaktlinsen. Im Gegensatz zu den üblichen Versionen von Hydrogelen bestehen die Materialien von Datta aus winzigen Hydrogelkügelchen, die von den Bakterien leicht verformt werden und den freien Durchgang von Sauerstoff ermöglichen, und Nährstoffe, die das Bakterienwachstum unterstützen, sind lichtdurchlässig.
Datta sagte, „Es ist wie ein Bällebad, wo jeder Ball ein individuelles Hydrogel ist. Sie sind mikroskopisch klein, also kann man sie nicht sehen. Das Forschungsteam kalibrierte die Zusammensetzung des Hydrogels, um die Struktur von Erde oder Gewebe nachzuahmen. Das Hydrogel ist stark genug, um die wachsende Bakterienkolonie zu unterstützen, ohne genügend Widerstand zu bieten, um das Wachstum einzuschränken.“
„Während die Bakterienkolonien in der Hydrogelmatrix wachsen, können sie die Kugeln leicht um sie herum anordnen, sodass sie nicht eingeschlossen werden. Es ist, als würde man seinen Arm in das Bällebad tauchen. Wenn du es durchziehst, ordnen sich die Kugeln neu um deinen Arm.“
Um zu untersuchen, wie Bakterien in drei Dimensionen wachsen, führten die Forscher Versuche mit vier verschiedenen Bakterienarten durch, darunter eine, die zum sauren Geschmack von Kombucha beiträgt.
Datta sagte, „Wir haben Zelltypen, Nährstoffbedingungen und Hydrogeleigenschaften verändert. Wir haben all diese Parameter systematisch geändert, aber das scheint ein allgemeines Phänomen zu sein.“
„Zwei Faktoren schienen das brokkoliförmige Wachstum auf der Oberfläche einer Kolonie zu verursachen. Erstens wachsen und vermehren sich Bakterien mit Zugang zu hohen Mengen an Nährstoffen oder Sauerstoff schneller als in einer weniger üppigen Umgebung. Selbst die gleichmäßigsten Umgebungen haben eine ungleichmäßige Nährstoffdichte, und diese Schwankungen führen dazu, dass Flecken auf der Oberfläche der Kolonie nach vorne schießen oder zurückfallen. In drei Dimensionen wiederholt, führt dies dazu, dass die Bakterienkolonie Unebenheiten und Knötchen bildet, da einige Untergruppen von Bakterien schneller wachsen als ihre Nachbarn.“
„Zweitens beobachteten die Forscher, dass nur die Bakterien in der Nähe der Kolonieoberfläche wuchsen und sich in dreidimensionalem Wachstum aufteilten. Die im Zentrum der Kolonie zusammengepferchten Bakterien schienen in einen Ruhezustand zu verfallen. Da die Bakterien im Inneren nicht wuchsen und sich nicht teilten, wurde die äußere Oberfläche keinem Druck ausgesetzt, der dazu führen würde, dass sie sich gleichmäßig ausdehnt. Stattdessen wird seine Expansion hauptsächlich durch das Wachstum am äußersten Rand der Kolonie vorangetrieben. Und das Wachstum entlang der Kante unterliegt Nährstoffschwankungen, die schließlich zu einem holprigen, ungleichmäßigen Wachstum führen.“
Alejandro Martinez-Calvo, Postdoktorand in Princeton und Erstautor der Arbeit, sagte: „Wenn das Wachstum gleichmäßig wäre und es keinen Unterschied zwischen den Bakterien in der Kolonie und denen an der Peripherie gäbe, wäre es, als würde man einen Ballon füllen. Der Druck von innen würde alle Störungen an der Peripherie ausgleichen.“
Um zu erklären, warum dieser Druck nicht vorhanden war, fügten die Forscher Proteinen, die in Zellen aktiv werden, wenn die Bakterien wachsen, eine fluoreszierende Markierung hinzu. Das fluoreszierende Protein leuchtet, wenn Bakterien aktiv sind, und bleibt dunkel, wenn sie es nicht sind. Bei der Beobachtung der Kolonien stellten die Forscher fest, dass die Bakterien am Rand der Kolonie hellgrün waren, während der Kern dunkel blieb.
Datta sagte, „Die Kolonie organisiert sich im Wesentlichen selbst in einen Kern und eine Hülle, die sich auf sehr unterschiedliche Weise verhalten.“
„Die Theorie besagt, dass die Bakterien an den Rändern der Kolonie die meisten Nährstoffe und Sauerstoff aufnehmen und nur wenig für die Bakterien im Inneren übrig lassen.“
„Wir glauben, dass sie ruhen, weil sie ausgehungert sind, obwohl er warnte, dass weitere Untersuchungen erforderlich seien, um dies zu untersuchen.“
„Die von den Forschern verwendeten Experimente und mathematischen Modelle fanden eine Obergrenze für die Unebenheiten, die sich auf den Oberflächen der Kolonien bildeten. Die holprige Oberfläche ergibt sich aus zufälligen Variationen in der Sauerstoff und Nährstoffe in der Umwelt, aber die Zufälligkeit tendiert dazu, sich in gewissen Grenzen auszugleichen.“
„Die Rauheit hat eine Obergrenze dafür, wie groß sie werden kann – die Blütengröße, wenn wir sie mit Brokkoli vergleichen. Wir konnten das aus der Mathematik vorhersagen, und es scheint ein unvermeidliches Merkmal großer Kolonien zu sein, die in 3-D wachsen.“
„Da das Bakterienwachstum tendenziell einem ähnlichen Muster wie das Kristallwachstum und andere gut untersuchte Phänomene unbelebter Materialien folgte, konnten die Forscher mathematische Standardmodelle anpassen, um das Bakterienwachstum widerzuspiegeln. Er sagte, zukünftige Forschung werde sich wahrscheinlich darauf konzentrieren, die Mechanismen hinter dem Wachstum, die Auswirkungen grober Wachstumsformen auf das Funktionieren der Kolonien besser zu verstehen und diese Erkenntnisse auf andere Interessengebiete anzuwenden.“
„Letztendlich gibt uns diese Arbeit mehr Werkzeuge, um zu verstehen und schließlich zu kontrollieren, wie Bakterien in der Natur wachsen.“
Journal Referenz:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morphologische Instabilität und Aufrauung wachsender 3D-Bakterienkolonien. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: X
