Kuidas kasvavad bakterikolooniad oma kuju saavad? Kuigi kolooniate morfogeneesi on kahemõõtmeliselt hästi uuritud, kasvavad paljud bakterid suurte kolooniatena kolmemõõtmelises (3D) keskkonnas. Kolmemõõtmeliselt kasvavate bakterite kolooniate morfoloogiate kohta on aga vähe teada.
Nüüd, a Princeton meeskond on leiutanud viisi, kuidas jälgida baktereid 3-D keskkondades. Nad avastasid, et kui bakterid paljunevad, omandavad nende kolooniad järjepidevalt töötlemata kuju, mis on oluliselt keerulisem kui need, mida tavaliselt täheldatakse lamedate nõude puhul. Need kujundid meenutavad brokoli hargnevat pead.
Princetoni keemia- ja bioloogilise inseneri abiprofessor ja uuringu vanemautor Sujit Datta ütles: "Alates sellest, kui bakterid avastati üle 300 aasta tagasi, on enamik laboriuuringuid uurinud neid katseklaasides või Petri tassidel. Kui proovite vaadata bakterid kasvavad kudedes või pinnases on need läbipaistmatud ja te ei näe, mida koloonia teeb. See on olnud väljakutse."
Datta uurimisrühm avastas selle käitumise läbimurdelise eksperimentaalse seadistuse abil, mis võimaldas neil teha enneolematuid vaatlusi bakterikolooniate kohta nende loomulikus kolmemõõtmelises olekus. Ootamatult avastasid teadlased, et looduslike kolooniate kasv meenutas pidevalt kristallide moodustumine või härmatise levik aknaklaasile. Need karedad hargnenud struktuurid on levinud kogu looduses, kuid neid nähakse tavaliselt laienevate või koonduvate elutute süsteemide kontekstis.
Datta ütles, "Leidsime, et kolmemõõtmelistes bakterikolooniates kasvades on väga sarnane protsess, hoolimata asjaolust, et need on elusorganismide kollektiivid."
Datta ütles, "Põhitasandil oleme põnevil, et see töö paljastab üllatavad seosed vormi ja funktsiooni arengu vahel bioloogilistes süsteemides ning elutute kasvuprotsesside uuringute vahel materjaliteaduses ja statistilises füüsikas. Kuid me arvame, et see uus vaade selle kohta, millal ja kus rakud 3D-s kasvavad, huvitab kõiki, kes on huvitatud bakterite kasvust, näiteks keskkonna-, tööstus- ja biomeditsiinilistes rakendustes.
Datta uurimisrühm on mitu aastat töötanud süsteemi kallal, et uurida sündmusi, mis on tavaliselt peidetud varjatud keskkondades, sealhulgas läbi pinnase voolava vedeliku. Meeskond toetab bakterite kasvu 3-D-vormingus, kasutades spetsiaalselt loodud hüdrogeele ja vett imavaid polümeere, mis sarnanevad jello ja kontaktläätsed. Erinevalt tavalistest hüdrogeelide versioonidest koosnevad Datta materjalid pisikestest hüdrogeeli pallidest, mida bakterid kergesti deformeerivad, võimaldades hapniku vaba läbipääsu ning bakterite kasvu toetavad toitained on valgusele läbipaistvad.
Datta ütles, "See on nagu palliauk, kus iga pall on individuaalne hüdrogeel. Need on mikroskoopilised, nii et te ei näe neid. Uurimisrühm kalibreeris hüdrogeeli koostist, et jäljendada pinnase või koe struktuuri. Hüdrogeel on piisavalt tugev, et toetada kasvavat bakterikolooniat, ilma et see avaldaks kasvu piiramiseks piisavalt vastupanu.
"Kui bakterikolooniad hüdrogeeli maatriksis kasvavad, saavad nad hõlpsasti enda ümber olevaid palle ümber paigutada, nii et nad ei jää lõksu. See on nagu käe palliauku uputamine. Kui lohistate selle läbi, paiknevad pallid ümber teie käe."
Uurimaks, kuidas bakterid kasvavad kolmemõõtmeliselt, viisid teadlased läbi katsed nelja erinevat tüüpi bakteriga, sealhulgas ühega, mis aitab kaasa kombucha happelisele maitsele.
Datta ütles, "Muutsime rakutüüpe, toitainete tingimusi ja hüdrogeeli omadusi. Muutsime süstemaatiliselt kõiki neid parameetreid, kuid see näib olevat üldine nähtus.
"Tistis, et koloonia pinnal brokolikujulise kasvu põhjustasid kaks tegurit. Esiteks kasvavad ja paljunevad bakterid, millel on juurdepääs suurele hulgale toitainetele või hapnikule, kiiremini kui vähem rikkalikus keskkonnas. Isegi kõige ühtlasemates keskkondades on toitainete ebaühtlane tihedus ja need variatsioonid põhjustavad koloonia pinnal olevate täppide tõusu või mahajäämist. Kolmemõõtmeliselt korratuna põhjustab see bakterikoloonias punnide ja sõlmede moodustumist, kuna mõned bakterite alarühmad kasvavad kiiremini kui nende naabrid.
"Teiseks täheldasid teadlased, et ainult koloonia pinna lähedal asuvad bakterid kasvasid ja jagunesid kolmemõõtmeliseks kasvuks. Paistis, et koloonia keskmesse surutud bakterid läksid puhkeolekusse. Kuna sees olevad bakterid ei kasvanud ega jagunenud, ei avaldatud välispinnale survet, mis põhjustaks selle ühtlase laienemise. Selle asemel on selle laienemise põhjuseks peamiselt kasv piki koloonia serva. Ja kasv piki serva on allutatud toitainete erinevustele, mis lõpuks põhjustavad konarliku, ebaühtlase kasvu.
Princetoni järeldoktor ja paberi esimene autor Alejandro Martinez-Calvo ütles: "Kui kasv oleks ühtlane ja koloonia sees ja perifeerias olevate bakterite vahel poleks vahet, oleks see nagu õhupalli täitmine. Seestpoolt tulev surve täidaks kõik perifeeria häired.
Selgitamaks, miks seda rõhku ei esinenud, lisasid teadlased fluorestseeruva märgise valkudele, mis muutuvad rakkudes aktiivseks, kui bakterid kasvavad. Fluorestseeruv valk süttib, kui bakterid on aktiivsed, ja jääb tumedaks, kui nad seda ei tee. Kolooniaid jälgides nägid teadlased, et koloonia serval olid bakterid erkrohelised, samas kui tuum jäi tumedaks.
Data ütles, "Koloonia organiseerub sisuliselt ise tuumaks ja kestaks, mis käituvad väga erineval viisil."
"Teooria on see, et koloonia servadel olevad bakterid võtavad endasse suurema osa toitaineid ja hapnikku, jättes sees olevatele bakteritele vähe alles."
"Arvame, et nad on uinuvad, kuna on nälginud, kuigi ta hoiatas, et selle uurimiseks on vaja täiendavaid uuringuid."
«Teadlaste kasutatud katsed ja matemaatilised mudelid leidsid kolooniate pindadele tekkinud konaruste ülemise piiri. Konarlik pind tuleneb juhuslikest variatsioonidest hapnik ja toitaineid keskkonnas, kuid juhuslikkus kipub teatud piirides ühtlustuma.
"Karedusel on ülempiir, kui suureks see võib kasvada - õisiku suurus, kui võrrelda seda brokkoliga. Suutsime seda matemaatika põhjal ennustada ja see näib olevat suurte kolooniate 3D-s kasvamise vältimatu tunnus.
"Kuna bakterite kasv kaldus järgima sarnast mustrit nagu kristallide kasv ja muud elutute materjalide hästi uuritud nähtused, suutsid teadlased kohandada standardseid matemaatilisi mudeleid, et kajastada bakterite kasvu. Ta ütles, et tulevased uuringud keskenduvad tõenäoliselt kasvu taga olevate mehhanismide paremale mõistmisele, töötlemata kasvukujude mõjudele kolooniate toimimisele ja nende õppetundide rakendamisele muudes huvivaldkondades.
"Lõppkokkuvõttes annab see töö meile rohkem vahendeid, et mõista ja lõpuks kontrollida, kuidas bakterid looduses kasvavad."
Ajakirja viide:
- Alejandro Martínez-Calvo, Kasvavate 3D-bakterikolooniate morfoloogiline ebastabiilsus ja karestumine. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
