¿Cómo adquieren su forma las colonias bacterianas en crecimiento? Si bien la morfogénesis de las colonias está bien estudiada en dos dimensiones, muchas bacterias crecen como colonias grandes en entornos tridimensionales (3D). Sin embargo, se sabe poco sobre las morfologías de las colonias de bacterias que crecen en tres dimensiones.
Ahora, una Princeton El equipo ha inventado una forma de observar bacterias en entornos tridimensionales. Descubrieron que a medida que las bacterias se multiplican, sus colonias toman formas irregulares que son significativamente más complejas que las que generalmente se observan en platos planos. Estas formas se asemejan a una cabeza ramificada de brócoli.
Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio, dijo: “Desde que se descubrieron las bacterias hace más de 300 años, la mayoría de las investigaciones de laboratorio las han estudiado en tubos de ensayo o en placas de Petri. Si tratas de mirar las bacterias crecen en tejidos o suelos, estos son opacos y no se puede ver lo que está haciendo la colonia. Ese ha sido el desafío”.
El equipo de investigación de Datta descubrió este comportamiento utilizando una configuración experimental innovadora que les permitió realizar observaciones sin precedentes de colonias bacterianas en su estado tridimensional natural. Inesperadamente, los científicos descubrieron que el crecimiento de las colonias silvestres se parecía constantemente al formación de cristales o la propagación de escarcha en un cristal de ventana. Estas estructuras ásperas y ramificadas son comunes en toda la naturaleza, pero generalmente se ven en el contexto de sistemas no vivos en expansión o convergentes.
datta dijo, "Descubrimos que, al crecer en 3-D, las colonias bacterianas exhiben un proceso muy similar a pesar de que se trata de colectivos de organismos vivos".
datta dijo, “En un nivel fundamental, estamos emocionados de que este trabajo revele conexiones sorprendentes entre el desarrollo de forma y función en sistemas biológicos y estudios de procesos de crecimiento inanimado en ciencia de materiales y física estadística. Pero también, creemos que esta nueva visión de cuándo y dónde crecen las células en 3-D interesará a cualquier persona interesada en el crecimiento bacteriano, como en aplicaciones ambientales, industriales y biomédicas”.
Durante varios años, el grupo de investigación de Datta ha estado trabajando en un sistema para estudiar eventos típicamente ocultos en entornos oscuros, incluido el fluido que fluye a través de los suelos. El equipo apoya el crecimiento bacteriano en 3-D mediante el uso de hidrogeles especialmente diseñados y polímeros absorbentes de agua similares a gelatina y lentes de contacto. A diferencia de las versiones comunes de hidrogeles, los materiales de Datta están hechos de pequeñas bolas de hidrogel que las bacterias deforman fácilmente, lo que permite el paso libre de oxígeno y los nutrientes que favorecen el crecimiento bacteriano son transparentes a la luz.
datta dijo, “Es como una piscina de bolas donde cada bola es un hidrogel individual. Son microscópicos, así que no puedes verlos. El equipo de investigación calibró la composición del hidrogel para imitar la estructura del suelo o tejido. El hidrogel es lo suficientemente fuerte como para soportar la colonia bacteriana en crecimiento sin presentar suficiente resistencia para restringir el crecimiento”.
“A medida que las colonias bacterianas crecen en la matriz de hidrogel, pueden reorganizar fácilmente las bolas a su alrededor para que no queden atrapadas. Es como hundir el brazo en la piscina de bolas. Si lo arrastras, las bolas se reacomodan alrededor de tu brazo”.
Para estudiar cómo crecen las bacterias en tres dimensiones, los investigadores realizaron pruebas con cuatro tipos distintos de bacterias, incluida una que contribuye al sabor ácido de la kombucha.
datta dijo, “Cambiamos los tipos de células, las condiciones de los nutrientes y las propiedades del hidrogel. Cambiamos sistemáticamente todos esos parámetros, pero esto parece ser un fenómeno genérico”.
“Dos factores parecían causar el crecimiento en forma de brócoli en la superficie de una colonia. Primero, las bacterias con acceso a altos niveles de nutrientes u oxígeno crecerán y se reproducirán más rápido que en un ambiente menos abundante. Incluso los ambientes más uniformes tienen una densidad desigual de nutrientes, y estas variaciones hacen que las manchas en la superficie de la colonia se adelanten o se retrasen. Repetido en tres dimensiones, esto hace que la colonia bacteriana forme protuberancias y nódulos, ya que algunos subgrupos de bacterias crecen más rápidamente que sus vecinos”.
“En segundo lugar, los investigadores observaron que solo las bacterias cercanas a la superficie de la colonia crecían y se dividían en un crecimiento tridimensional. Las bacterias apiñadas en el centro de la colonia parecían caer en un estado latente. Debido a que las bacterias del interior no crecían ni se dividían, la superficie exterior no estaba sujeta a la presión que haría que se expandiera uniformemente. En cambio, su expansión está impulsada principalmente por el crecimiento a lo largo del límite de la colonia. Y el crecimiento a lo largo del borde está sujeto a variaciones de nutrientes que eventualmente resultan en un crecimiento irregular y desigual”.
Alejandro Martinez-Calvo, investigador postdoctoral en Princeton y primer autor del artículo, dijo: “Si el crecimiento fuera uniforme y no hubiera diferencia entre las bacterias dentro de la colonia y las de la periferia, sería como llenar un globo. La presión desde el interior llenaría cualquier perturbación en la periferia”.
Para explicar por qué esta presión no estaba presente, los investigadores agregaron una etiqueta fluorescente a las proteínas que se activan en las células cuando las bacterias crecen. La proteína fluorescente se enciende cuando las bacterias están activas y permanece oscura cuando no lo están. Al observar las colonias, los investigadores vieron que las bacterias en el borde de la colonia eran de color verde brillante, mientras que el centro permanecía oscuro.
Datta dijo, “La colonia esencialmente se autoorganiza en un núcleo y un caparazón que se comportan de maneras muy diferentes”.
"La teoría es que las bacterias en los bordes de la colonia recogen la mayor parte de los nutrientes y el oxígeno, dejando poco para las bacterias del interior".
“Creemos que se están adormeciendo porque están hambrientos, aunque advirtió que se necesita más investigación para explorar esto”.
“Los experimentos y modelos matemáticos utilizados por los investigadores encontraron un límite superior para las protuberancias que se formaron en las superficies de las colonias. La superficie irregular es el resultado de variaciones aleatorias en la oxígeno y nutrientes en el ambiente, pero la aleatoriedad tiende a nivelarse en ciertos límites”.
“La aspereza tiene un límite superior de cuánto puede crecer: el tamaño del florete si lo comparamos con el brócoli. Pudimos predecir eso a partir de las matemáticas, y parece ser una característica inevitable de las grandes colonias que crecen en 3-D”.
“Debido a que el crecimiento bacteriano tendía a seguir un patrón similar al crecimiento de cristales y otros fenómenos bien estudiados de materiales inanimados, los investigadores pudieron adaptar modelos matemáticos estándar para reflejar el crecimiento bacteriano. Dijo que la investigación futura probablemente se centrará en una mejor comprensión de los mecanismos detrás del crecimiento, las implicaciones de las formas de crecimiento aproximadas para el funcionamiento de la colonia y la aplicación de estas lecciones a otras áreas de interés".
"En última instancia, este trabajo nos brinda más herramientas para comprender y, finalmente, controlar cómo crecen las bacterias en la naturaleza".
Referencia de la revista:
- Alejandro Martínez-Calvo, Inestabilidad morfológica y rugosidad de colonias bacterianas 3D en crecimiento. Actas de la Academia Nacional de Ciencias. DOI: X
