Πώς παίρνουν το σχήμα τους οι αναπτυσσόμενες αποικίες βακτηρίων; Ενώ η μορφογένεση των αποικιών έχει μελετηθεί καλά σε δύο διαστάσεις, πολλά βακτήρια αναπτύσσονται ως μεγάλες αποικίες σε τρισδιάστατα (3D) περιβάλλοντα. Ωστόσο, λίγα είναι γνωστά για τις μορφολογίες των αποικιών των βακτηρίων που αναπτύσσονται σε τρεις διαστάσεις.
Τώρα, ένα Πρίνστον Η ομάδα έχει εφεύρει έναν τρόπο παρατήρησης βακτηρίων σε τρισδιάστατα περιβάλλοντα. Ανακάλυψαν ότι καθώς τα βακτήρια πολλαπλασιάζονται, οι αποικίες τους παίρνουν σταθερά τραχιά σχήματα που είναι σημαντικά πιο περίπλοκα από αυτά που παρατηρούνται γενικά σε επίπεδα πιάτα. Αυτά τα σχήματα μοιάζουν με διακλαδισμένη κεφαλή μπρόκολου.
Ο Sujit Datta, επίκουρος καθηγητής χημικής και βιολογικής μηχανικής στο Πρίνστον και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, είπε: «Από τότε που ανακαλύφθηκαν τα βακτήρια πριν από περισσότερα από 300 χρόνια, οι περισσότερες εργαστηριακές έρευνες τα έχουν μελετήσει σε δοκιμαστικούς σωλήνες ή σε πιάτα Petri. Αν προσπαθήσετε να παρακολουθήσετε αναπτύσσονται βακτήρια σε ιστούς ή εδάφη, αυτά είναι αδιαφανή και δεν μπορείτε να δείτε τι κάνει η αποικία. Αυτή ήταν η πρόκληση».
Η ερευνητική ομάδα του Ντάτα αποκάλυψε αυτή τη συμπεριφορά χρησιμοποιώντας μια επαναστατική πειραματική διάταξη που τους επέτρεψε να κάνουν πρωτοφανείς παρατηρήσεις βακτηριακών αποικιών στη φυσική, τρισδιάστατη κατάστασή τους. Απροσδόκητα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η ανάπτυξη των άγριων αποικιών έμοιαζε συνεχώς με σχηματισμός κρυστάλλων ή την εξάπλωση του παγετού σε ένα τζάμι. Αυτές οι ακατέργαστες, διακλαδισμένες δομές είναι κοινές σε όλη τη φύση, αλλά συνήθως φαίνονται στο πλαίσιο των επεκτεινόμενων ή συγκλίνων μη ζωντανών συστημάτων.
Η Ντάτα είπε, «Διαπιστώσαμε ότι μεγαλώνοντας σε τρισδιάστατες αποικίες, οι βακτηριακές αποικίες παρουσιάζουν μια πολύ παρόμοια διαδικασία παρά το γεγονός ότι πρόκειται για συλλογές ζωντανών οργανισμών».
Η Ντάτα είπε, «Σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, είμαστε ενθουσιασμένοι που αυτή η εργασία αποκαλύπτει εκπληκτικές συνδέσεις μεταξύ της ανάπτυξης της μορφής και της λειτουργίας σε βιολογικά συστήματα και των μελετών άψυχων διαδικασιών ανάπτυξης στην επιστήμη των υλικών και τη στατιστική φυσική. Αλλά, επίσης, πιστεύουμε ότι αυτή η νέα άποψη για το πότε και πού αναπτύσσονται τα κύτταρα σε 3-D θα ενδιαφέρει όποιον ενδιαφέρεται για την ανάπτυξη βακτηρίων, όπως σε περιβαλλοντικές, βιομηχανικές και βιοϊατρικές εφαρμογές».
Για αρκετά χρόνια, η ερευνητική ομάδα του Ντάτα εργάζεται σε ένα σύστημα για τη μελέτη γεγονότων που συνήθως κρύβονται σε σκοτεινά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένου του ρευστού που ρέει μέσα από τα εδάφη. Η ομάδα υποστηρίζει την ανάπτυξη βακτηρίων σε 3-D χρησιμοποιώντας ειδικά κατασκευασμένες υδρογέλες και υδατοαπορροφητικά πολυμερή παρόμοια με ζελέ και φακοί επαφής. Σε αντίθεση με αυτές τις κοινές εκδόσεις υδρογέλης, τα υλικά της Datta αποτελούνται από μικροσκοπικές μπάλες υδρογέλης που παραμορφώνονται εύκολα από τα βακτήρια, επιτρέποντας την ελεύθερη διέλευση του οξυγόνου και τα θρεπτικά συστατικά που υποστηρίζουν την ανάπτυξη των βακτηρίων είναι διαφανή στο φως.
Η Ντάτα είπε, «Είναι σαν ένα λάκκο με μπάλα όπου κάθε μπάλα είναι μια ξεχωριστή υδρογέλη. Είναι μικροσκοπικά, οπότε δεν μπορείτε να τα δείτε. Η ερευνητική ομάδα βαθμολόγησε το μακιγιάζ της υδρογέλης για να μιμηθεί τη δομή του εδάφους ή του ιστού. Η υδρογέλη είναι αρκετά ισχυρή για να υποστηρίξει την αναπτυσσόμενη βακτηριακή αποικία χωρίς να παρουσιάζει αρκετή αντίσταση για να περιορίσει την ανάπτυξη».
«Καθώς οι βακτηριακές αποικίες αναπτύσσονται στη μήτρα υδρογέλης, μπορούν εύκολα να αναδιατάξουν τις μπάλες γύρω τους, ώστε να μην παγιδεύονται. Είναι σαν να χώνεις το χέρι σου στο λάκκο της μπάλας. Αν το σύρετε, οι μπάλες αναδιατάσσονται γύρω από το χέρι σας.»
Για να μελετήσουν πώς αναπτύσσονται τα βακτήρια σε τρεις διαστάσεις, οι ερευνητές πραγματοποίησαν δοκιμές με τέσσερις διαφορετικούς τύπους βακτηρίων, συμπεριλαμβανομένου ενός που συμβάλλει στην όξινη γεύση της κομπούχα.
Η Ντάτα είπε, «Αλλάξαμε τους τύπους κυττάρων, τις θρεπτικές συνθήκες και τις ιδιότητες υδρογέλης. Αλλάξαμε συστηματικά όλες αυτές τις παραμέτρους, αλλά αυτό φαίνεται να είναι ένα γενικό φαινόμενο».
«Δύο παράγοντες φάνηκε να προκαλούν την ανάπτυξη σε σχήμα μπρόκολου στην επιφάνεια μιας αποικίας. Πρώτον, τα βακτήρια με πρόσβαση σε υψηλά επίπεδα θρεπτικών συστατικών ή οξυγόνου θα αναπτυχθούν και θα αναπαραχθούν ταχύτερα από ό,τι σε ένα λιγότερο άφθονο περιβάλλον. Ακόμη και τα πιο ομοιόμορφα περιβάλλοντα έχουν κάποια ανομοιόμορφη πυκνότητα θρεπτικών ουσιών και αυτές οι παραλλαγές προκαλούν κηλίδες στην επιφάνεια της αποικίας να εκτιναχθούν μπροστά ή να μείνουν πίσω. Επαναλαμβανόμενο σε τρεις διαστάσεις, αυτό προκαλεί τη βακτηριακή αποικία να σχηματίσει εξογκώματα και οζίδια καθώς ορισμένες υποομάδες βακτηρίων αναπτύσσονται πιο γρήγορα από τις γειτονικές τους».
«Δεύτερον, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι μόνο τα βακτήρια κοντά στην επιφάνεια της αποικίας αναπτύχθηκαν και χωρίστηκαν σε τρισδιάστατη ανάπτυξη. Τα βακτήρια που στριμώχνονταν στο κέντρο της αποικίας έμοιαζαν να πέφτουν σε αδρανή κατάσταση. Επειδή τα βακτήρια στο εσωτερικό δεν αναπτύσσονταν και δεν διαιρούνταν, η εξωτερική επιφάνεια δεν δεχόταν πίεση που θα την έκανε να διαστέλλεται ομοιόμορφα. Αντίθετα, η επέκτασή του οφείλεται κυρίως στην ανάπτυξη κατά μήκος της ίδιας της άκρης της αποικίας. Και η ανάπτυξη κατά μήκος της άκρης υπόκειται σε διακυμάνσεις θρεπτικών συστατικών που τελικά καταλήγουν σε ανώμαλη, ανομοιόμορφη ανάπτυξη».
Ο Alejandro Martinez-Calvo, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πρίνστον και ο πρώτος συγγραφέας της εφημερίδας, είπε: «Αν η ανάπτυξη ήταν ομοιόμορφη και δεν υπήρχε διαφορά μεταξύ των βακτηρίων μέσα στην αποικία και εκείνων στην περιφέρεια, θα ήταν σαν να γεμίζεις ένα μπαλόνι. Η πίεση από το εσωτερικό θα γέμιζε τυχόν διαταραχές στην περιφέρεια».
Για να εξηγήσουν γιατί δεν υπήρχε αυτή η πίεση, οι ερευνητές πρόσθεσαν μια φθορίζουσα ετικέτα σε πρωτεΐνες που γίνονται ενεργές στα κύτταρα όταν αναπτύσσονται τα βακτήρια. Η φθορίζουσα πρωτεΐνη ανάβει όταν τα βακτήρια είναι ενεργά και παραμένει σκοτεινή όταν δεν είναι ενεργά. Παρατηρώντας τις αποικίες, οι ερευνητές είδαν ότι τα βακτήρια στην άκρη της αποικίας ήταν έντονο πράσινο, ενώ ο πυρήνας παρέμενε σκούρος.
Ντάτα είπε, «Η αποικία ουσιαστικά αυτοοργανώνεται σε έναν πυρήνα και ένα κέλυφος που συμπεριφέρονται με πολύ διαφορετικούς τρόπους».
«Η θεωρία είναι ότι τα βακτήρια στις άκρες της αποικίας μαζεύουν τα περισσότερα από τα θρεπτικά συστατικά και το οξυγόνο, αφήνοντας λίγα για τα εσωτερικά βακτήρια».
«Πιστεύουμε ότι είναι αδρανείς επειδή λιμοκτονούν, αν και προειδοποίησε ότι απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να διερευνηθεί αυτό».
«Τα πειράματα και τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν από τους ερευνητές βρήκαν ένα ανώτερο όριο στα εξογκώματα που σχηματίστηκαν στις επιφάνειες των αποικιών. Η ανώμαλη επιφάνεια προκύπτει από τυχαίες παραλλαγές στο οξυγόνο και τα θρεπτικά συστατικά στο περιβάλλον, αλλά η τυχαιότητα τείνει να εξισορροπηθεί σε ορισμένα όρια».
«Η τραχύτητα έχει ένα ανώτερο όριο για το πόσο μεγάλο μπορεί να μεγαλώσει - το μέγεθος του άνθους αν το συγκρίνουμε με το μπρόκολο. Ήμασταν σε θέση να το προβλέψουμε αυτό από τα μαθηματικά, και φαίνεται να είναι ένα αναπόφευκτο χαρακτηριστικό των μεγάλων αποικιών που αναπτύσσονται σε 3-D."
«Επειδή η βακτηριακή ανάπτυξη έτεινε να ακολουθεί ένα παρόμοιο μοτίβο με την ανάπτυξη των κρυστάλλων και άλλα καλά μελετημένα φαινόμενα άψυχων υλικών, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσαρμόσουν τυπικά μαθηματικά μοντέλα για να αντικατοπτρίζουν την ανάπτυξη των βακτηρίων. Είπε ότι η μελλοντική έρευνα πιθανότατα θα επικεντρωθεί στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών πίσω από την ανάπτυξη, των επιπτώσεων των ακατέργαστων σχημάτων ανάπτυξης για τη λειτουργία των αποικιών και στην εφαρμογή αυτών των μαθημάτων σε άλλους τομείς ενδιαφέροντος».
«Τελικά, αυτή η εργασία μας δίνει περισσότερα εργαλεία για να κατανοήσουμε και τελικά να ελέγξουμε πώς αναπτύσσονται τα βακτήρια στη φύση».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Alejandro Martínez-Calvo, Μορφολογική αστάθεια και τραχύτητα αναπτυσσόμενων τρισδιάστατων βακτηριακών αποικιών. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας ΕπιστημώνΕ DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
