Miten kasvavat bakteeripesäkkeet saavat muotonsa? Vaikka pesäkkeiden morfogeneesiä on tutkittu hyvin kahdessa ulottuvuudessa, monet bakteerit kasvavat suurina pesäkkeinä kolmiulotteisissa (3D) ympäristöissä. Kolmessa ulottuvuudessa kasvavien bakteerien pesäkkeiden morfologioista tiedetään kuitenkin vähän.
Nyt, a Princeton tiimi on keksinyt tavan tarkkailla bakteereja 3-D-ympäristöissä. He havaitsivat, että kun bakteerit lisääntyvät, niiden pesäkkeet ottavat jatkuvasti karkeita muotoja, jotka ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin tavallisesti litteissä astioissa. Nämä muodot muistuttavat haarautuvaa parsakaalipäätä.
Sujit Datta, Princetonin kemian ja biologian tekniikan apulaisprofessori ja tutkimuksen vanhempi kirjailija, sanoi: "Aina siitä lähtien, kun bakteerit löydettiin yli 300 vuotta sitten, useimmat laboratoriotutkimukset ovat tutkineet niitä koeputkissa tai petrimaljoilla. Jos yrität katsoa bakteerit kasvavat kudoksissa tai maaperässä ne ovat läpinäkymättömiä, etkä näe, mitä pesäke tekee. Se on ollut haaste.”
Dattan tutkimusryhmä paljasti tämän käyttäytymisen käyttämällä läpimurtoa kokeellista järjestelyä, jonka avulla he pystyivät tekemään ennennäkemättömiä havaintoja bakteeripesäkkeistä niiden luonnollisessa, kolmiulotteisessa tilassa. Yllättäen tiedemiehet havaitsivat, että luonnonvaraisten pesäkkeiden kasvu muistutti jatkuvasti kiteiden muodostumista tai huurteen leviäminen ikkunalasiin. Nämä karkeat, haarautuvat rakenteet ovat yleisiä kaikkialla luonnossa, mutta ne nähdään yleensä laajenevien tai lähentyvien elottomien järjestelmien yhteydessä.
Datta sanoi, "Huomasimme, että kolmiulotteisissa bakteeripesäkkeissä kasvaminen osoittaa hyvin samankaltaista prosessia huolimatta siitä, että nämä ovat elävien organismien kollektiiveja."
Datta sanoi, ”Perustasolla olemme innoissamme, että tämä työ paljastaa yllättäviä yhteyksiä biologisten järjestelmien muodon ja toiminnan kehittymisen sekä materiaalitieteen ja tilastollisen fysiikan elottomien kasvuprosessien tutkimusten välillä. Uskomme kuitenkin myös, että tämä uusi näkemys siitä, milloin ja missä solut kasvavat 3D-muodossa, kiinnostaa kaikkia, jotka ovat kiinnostuneita bakteerien kasvusta, kuten ympäristö-, teollisuus- ja biolääketieteen sovelluksista.
Dattan tutkimusryhmä on useiden vuosien ajan työskennellyt järjestelmän parissa, jolla tutkitaan tyypillisesti hämäriin ympäristöihin piiloutuneita tapahtumia, mukaan lukien maaperän läpi virtaavia nesteitä. Tiimi tukee bakteerien kasvua 3-D-muodossa käyttämällä erityisesti suunniteltuja hydrogeelejä ja vettä imeviä polymeerejä, jotka ovat samanlaisia kuin jello ja piilolinssit. Toisin kuin tavalliset hydrogeeliversiot, Dattan materiaalit koostuvat pienistä hydrogeelipalloista, jotka bakteerit muuttavat helposti muotoaan, mikä mahdollistaa hapen vapaan kulun, ja bakteerien kasvua tukevat ravinteet ovat läpinäkyviä valolle.
Datta sanoi, ”Se on kuin pallokuppi, jossa jokainen pallo on erillinen hydrogeeli. Ne ovat mikroskooppisia, joten et näe niitä. Tutkimusryhmä kalibroi hydrogeelin meikin jäljittelemään maaperän tai kudoksen rakennetta. Hydrogeeli on riittävän vahva tukemaan kasvavaa bakteeripesäkettä ilman riittävää vastustuskykyä kasvun rajoittamiseksi.
”Kun bakteeripesäkkeet kasvavat hydrogeelimatriisissa, ne voivat helposti järjestää pallot ympärilleen uudelleen, jolloin ne eivät jää loukkuun. Se on kuin upottaisi kätesi pallokuoppaan. Jos vedät sen läpi, pallot asettuvat uudelleen kätesi ympärille."
Tutkiakseen, kuinka bakteerit kasvavat kolmessa ulottuvuudessa, tutkijat suorittivat kokeita neljällä eri bakteerityypillä, mukaan lukien yksi, joka edistää kombuchan hapan makua.
Datta sanoi, "Muutimme solutyyppejä, ravinneolosuhteita ja hydrogeelin ominaisuuksia. Muutimme järjestelmällisesti kaikkia näitä parametreja, mutta tämä näyttää olevan yleinen ilmiö."
"Kaksi tekijää näytti aiheuttavan parsakaalin muotoisen kasvun yhdyskunnan pinnalla. Ensinnäkin bakteerit, joilla on runsaasti ravinteita tai happea, kasvavat ja lisääntyvät nopeammin kuin vähemmän runsaassa ympäristössä. Jopa kaikkein yhtenäisimmissä ympäristöissä on jonkin verran epätasaista ravinteiden tiheyttä, ja nämä vaihtelut saavat aikaan pesäkkeen pinnan täplien nousun eteenpäin tai jäämisen jälkeen. Kolmiulotteisesti toistettuna tämä saa bakteeripesäkkeen muodostamaan kuoppia ja kyhmyjä, koska jotkin bakteerien alaryhmät kasvavat nopeammin kuin naapurit."
"Toiseksi tutkijat havaitsivat, että vain pesäkkeen pinnan lähellä olevat bakteerit kasvoivat ja jakautuivat kolmiulotteiseen kasvuun. Pesäkkeen keskustaan ahdettu bakteeri näytti rauhoittuvan lepotilaan. Koska sisällä olevat bakteerit eivät kasvaneet ja jakautuneet, ulkopintaan ei kohdistunut painetta, joka saisi sen laajenemaan tasaisesti. Sen sijaan sen laajenemista ohjaa ensisijaisesti kasvu siirtokunnan reunalla. Ja kasvu reunaa pitkin on altis ravinteiden vaihteluille, jotka lopulta johtavat kuoppaiseen, epätasaiseen kasvuun.
Alejandro Martinez-Calvo, Princetonin tutkijatohtori ja paperin ensimmäinen kirjoittaja, sanoi: ”Jos kasvu olisi tasaista, eikä pesäkkeen sisällä olevien bakteerien ja reuna-alueen bakteerien välillä olisi eroa, se olisi kuin ilmapallon täyttämistä. Sisältä tuleva paine täyttäisi kaikki reuna-alueen häiriöt."
Selittääkseen, miksi tätä painetta ei ollut, tutkijat lisäsivät fluoresoivan tunnisteen proteiineihin, jotka aktivoituvat soluissa bakteerien kasvaessa. Fluoresoiva proteiini syttyy, kun bakteerit ovat aktiivisia, ja pysyy pimeänä, kun ne eivät ole aktiivisia. Tarkkaillessaan pesäkkeitä tutkijat näkivät, että pesäkkeen reunalla olevat bakteerit olivat kirkkaan vihreitä, kun taas ydin pysyi tumma.
Datta sanoi, "Pysäkemä organisoituu pohjimmiltaan itsestään ytimeksi ja kuoreksi, jotka käyttäytyvät hyvin eri tavoin."
"Teorian mukaan pesäkkeen reunoilla olevat bakteerit keräävät suurimman osan ravintoaineista ja hapesta, jättäen vain vähän sisäisille bakteereille."
"Uskomme, että ne ovat lepotilassa, koska ne ovat nälkäisiä, vaikka hän varoitti, että tämän tutkimiseksi tarvitaan lisätutkimuksia."
”Tutkijoiden käyttämät kokeet ja matemaattiset mallit löysivät ylärajan pesäkkeiden pinnoille muodostuneille kuoppiille. Kuoppainen pinta johtuu satunnaisista vaihteluista happi ja ravinteita ympäristössä, mutta satunnaisuus pyrkii tasoittumaan tietyissä rajoissa.”
"Karheudella on yläraja, kuinka suureksi se voi kasvaa - kukintojen koko, jos vertaamme sitä parsakaaliin. Pystyimme ennustamaan sen matematiikan perusteella, ja se näyttää olevan väistämätön piirre suurten pesäkkeiden kasvaessa kolmiulotteisesti."
"Koska bakteerikasvulla oli tapana seurata samanlaista mallia kuin kiteiden kasvulla ja muilla elottomien materiaalien hyvin tutkituilla ilmiöillä, tutkijat pystyivät mukauttamaan standardimatemaattisia malleja heijastamaan bakteerikasvua. Hän sanoi, että tulevassa tutkimuksessa keskitytään todennäköisesti paremmin ymmärtämään kasvun taustalla olevia mekanismeja, karkeiden kasvumuotojen vaikutuksia pesäkkeiden toimintaan ja soveltamaan näitä oppitunteja muihin kiinnostaviin kohteisiin.
"Lopulta tämä työ antaa meille lisää työkaluja ymmärtää ja lopulta hallita bakteerien kasvua luonnossa."
Lehden viite:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfologinen epävakaus ja kasvavien 3D-bakteeripesäkkeiden karhentuminen. Proceedings of National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
