کلنی های باکتریایی در حال رشد چگونه شکل خود را به دست می آورند؟ در حالی که مورفوژنز کلنی در دو بعد به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، بسیاری از باکتری ها به عنوان کلنی های بزرگ در محیط های سه بعدی (3 بعدی) رشد می کنند. با این حال، اطلاعات کمی در مورد مورفولوژی کلنی باکتری هایی که در سه بعد رشد می کنند، وجود دارد.
حالا ، یک پرینستون این تیم راهی برای مشاهده باکتری ها در محیط های سه بعدی اختراع کرده است. آنها کشف کردند که با تکثیر باکتری ها، مستعمرات آنها به طور مداوم شکل های خشن به خود می گیرند که به طور قابل توجهی پیچیده تر از آن هایی است که به طور کلی در ظروف تخت مشاهده می شود. این اشکال شبیه سر شاخه ای از کلم بروکلی است.
سوجیت داتا، استادیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی در پرینستون و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: از زمانی که باکتری‌ها در بیش از 300 سال پیش کشف شدند، اکثر تحقیقات آزمایشگاهی آنها را در لوله‌های آزمایش یا ظروف پتری مورد مطالعه قرار دادند. اگر سعی کنید تماشا کنید باکتری ها رشد می کنند در بافت ها یا خاک ها، آن ها مات هستند و شما نمی توانید ببینید که کلنی چه می کند. این چالش بوده است.»
تیم تحقیقاتی داتا این رفتار را با استفاده از یک راه‌اندازی آزمایشی موفقیت‌آمیز کشف کردند که به آنها اجازه می‌داد مشاهدات بی‌سابقه‌ای از کلونی‌های باکتری در حالت طبیعی و سه بعدی خود انجام دهند. به طور غیر منتظره ای، دانشمندان دریافتند که رشد مستعمرات وحشی به طور مداوم شبیه به تشکیل کریستال ها یا گسترش یخبندان روی شیشه پنجره. این ساختارهای ناهموار و شاخه ای در سرتاسر طبیعت رایج هستند، اما معمولاً در زمینه سیستم های غیرزنده در حال گسترش یا همگرایی دیده می شوند.
داتا گفت، ما متوجه شدیم که رشد سه بعدی کلنی های باکتریایی با وجود اینکه مجموعه ای از موجودات زنده هستند، روند بسیار مشابهی را نشان می دهند.
داتا گفت، در یک سطح بنیادی، ما هیجان زده هستیم که این کار ارتباطات شگفت انگیزی را بین توسعه شکل و عملکرد در سیستم های بیولوژیکی و مطالعات فرآیندهای رشد بی جان در علم مواد و فیزیک آماری نشان می دهد. اما همچنین، ما فکر می‌کنیم این دیدگاه جدید از زمان و مکان رشد سلول‌ها به صورت سه بعدی، هر کسی را که علاقه‌مند به رشد باکتری‌ها، مانند کاربردهای زیست‌محیطی، صنعتی و زیست‌پزشکی است، علاقه‌مند خواهد کرد.»
برای چندین سال، گروه تحقیقاتی داتا روی سیستمی کار می‌کند تا رویدادهایی را که معمولاً در محیط‌های مبهم پنهان می‌شوند، از جمله سیال در حال جریان در خاک، مطالعه کند. این تیم با استفاده از هیدروژل های مهندسی شده خاص و پلیمرهای جاذب آب مشابه ژله و ژله از رشد باکتری ها به صورت سه بعدی پشتیبانی می کند. لنز. برخلاف نسخه‌های رایج هیدروژل‌ها، مواد داتا از گلوله‌های کوچک هیدروژل تشکیل شده‌اند که به راحتی توسط باکتری‌ها تغییر شکل می‌دهند و اجازه عبور آزادانه اکسیژن را می‌دهند و مواد مغذی که از رشد باکتری‌ها حمایت می‌کنند در برابر نور شفاف هستند.
داتا گفت، "این مانند یک گودال توپ است که در آن هر توپ یک هیدروژل جداگانه است. آنها میکروسکوپی هستند، بنابراین شما نمی توانید آنها را ببینید. تیم تحقیقاتی ترکیب هیدروژل را برای تقلید از ساختار خاک یا بافت کالیبره کردند. هیدروژل به اندازه کافی قوی است که از کلنی باکتریایی در حال رشد حمایت کند بدون اینکه مقاومت کافی برای محدود کردن رشد ایجاد کند.
همانطور که کلنی های باکتری در ماتریس هیدروژل رشد می کنند، می توانند به راحتی توپ های اطراف خود را مرتب کنند، بنابراین آنها به دام نمی افتند. مانند فرو بردن بازوی خود در گودال توپ است. اگر آن را بکشید، توپ‌ها دور بازوی شما مرتب می‌شوند.»
برای مطالعه چگونگی رشد باکتری ها در سه بعدی، محققان آزمایشاتی را با چهار نوع باکتری مجزا انجام دادند، از جمله یکی که به طعم اسیدی کومبوچا کمک می کند.
داتا گفت، ما انواع سلول ها، شرایط مواد مغذی و خواص هیدروژل را تغییر دادیم. ما به طور سیستماتیک همه این پارامترها را تغییر دادیم، اما به نظر می رسد این یک پدیده عمومی است.
به نظر می‌رسد دو عامل باعث رشد کلم بروکلی شکل در سطح کلنی می‌شوند. اول، باکتری‌هایی که به سطوح بالایی از مواد مغذی یا اکسیژن دسترسی دارند، سریعتر از محیط‌هایی با فراوانی کمتر رشد و تکثیر می‌شوند. حتی یکنواخت‌ترین محیط‌ها دارای تراکم ناهمواری از مواد مغذی هستند و این تغییرات باعث می‌شود لکه‌هایی در سطح کلنی به جلو یا عقب بروند. تکرار در سه بعدی، باعث می شود که کلنی باکتری برجستگی ها و ندول ها را تشکیل دهد زیرا برخی از زیر گروه های باکتری سریعتر از همسایگان خود رشد می کنند.
ثانیاً، محققان مشاهده کردند که تنها باکتری های نزدیک به سطح کلنی رشد کرده و به صورت سه بعدی تقسیم می شوند. به نظر می‌رسید که باکتری‌هایی که در مرکز مستعمره جمع شده‌اند، در حالت غیرفعال هستند. از آنجایی که باکتری‌های داخل رشد نمی‌کردند و تقسیم نمی‌شدند، سطح بیرونی تحت فشاری قرار نمی‌گرفت که باعث انبساط یکنواخت آن شود. در عوض، گسترش آن در درجه اول توسط رشد در امتداد لبه مستعمره انجام می شود. و رشد در امتداد لبه منوط به تغییرات مواد مغذی است که در نهایت منجر به رشد ناهموار و ناهموار می شود.
الخاندرو مارتینز-کالوو، محقق فوق دکتری در پرینستون و اولین نویسنده مقاله، گفت: اگر رشد یکنواخت بود و تفاوتی بین باکتری‌های داخل کلنی و باکتری‌های اطراف وجود نداشت، مانند پر کردن یک بالون بود. فشار از داخل هر گونه اغتشاش در حاشیه را پر می کند.
برای توضیح اینکه چرا این فشار وجود ندارد، محققان یک برچسب فلورسنت به پروتئین‌هایی اضافه کردند که با رشد باکتری‌ها در سلول‌ها فعال می‌شوند. پروتئین فلورسنت زمانی که باکتری ها فعال هستند روشن می شود و زمانی که فعال نیستند تاریک می ماند. با مشاهده مستعمرات، محققان مشاهده کردند که باکتری های لبه کلنی سبز روشن هستند، در حالی که هسته آن تاریک باقی مانده است.
Datta گفت:, مستعمره اساساً خود سازماندهی می شود و به یک هسته و پوسته ای تبدیل می شود که به شیوه های بسیار متفاوتی رفتار می کند.
تئوری این است که باکتری‌های لبه‌های کلنی بیشتر مواد مغذی و اکسیژن را جذب می‌کنند و مقدار کمی برای باکتری‌های داخل باقی می‌گذارند.
"ما فکر می کنیم که آنها به دلیل گرسنگی در حال خوابیدن هستند، اگرچه او هشدار داد که تحقیقات بیشتری برای کشف این موضوع مورد نیاز است."
آزمایش‌ها و مدل‌های ریاضی استفاده‌شده توسط محققان، حد بالایی را برای برجستگی‌هایی که روی سطوح مستعمره‌ها تشکیل می‌شوند، پیدا کردند. سطح ناهموار ناشی از تغییرات تصادفی در اکسیژن و مواد مغذی موجود در محیط، اما تصادفی بودن در محدوده‌های مشخصی یکنواخت می‌شود.»
زبری حد بالایی برای بزرگی دارد - اگر آن را با کلم بروکلی مقایسه کنیم، اندازه گلچه است. ما توانستیم این را از روی ریاضیات پیش بینی کنیم و به نظر می رسد که این یک ویژگی اجتناب ناپذیر از رشد مستعمرات بزرگ به صورت سه بعدی باشد.
از آنجایی که رشد باکتری ها از الگوی مشابهی مانند رشد کریستال و سایر پدیده های به خوبی مطالعه شده مواد بی جان پیروی می کند، محققان توانستند مدل های ریاضی استاندارد را برای انعکاس رشد باکتری تطبیق دهند. او گفت که تحقیقات آینده احتمالاً بر درک بهتر مکانیسم‌های پشت رشد، پیامدهای شکل‌های رشد خشن برای عملکرد کلنی‌ها و به کارگیری این درس‌ها در سایر زمینه‌های مورد علاقه تمرکز خواهند کرد.
در نهایت، این کار ابزارهای بیشتری برای درک و در نهایت کنترل نحوه رشد باکتری ها در طبیعت به ما می دهد.
مرجع مجله:
- آلخاندرو مارتینز-کالوو، ناپایداری مورفولوژیکی و زبر شدن کلونی های باکتریایی سه بعدی در حال رشد. مجموعه مقالات آکادمی ملی علومبه DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
