Comment les colonies bactériennes en croissance prennent-elles leur forme ? Alors que la morphogenèse des colonies est bien étudiée en deux dimensions, de nombreuses bactéries se développent sous forme de grandes colonies dans des environnements tridimensionnels (3D). Cependant, on sait peu de choses sur les morphologies des colonies de bactéries se développant en trois dimensions.
Maintenant, un Princeton a inventé un moyen d'observer les bactéries dans des environnements 3D. Ils ont découvert qu'au fur et à mesure que les bactéries se multiplient, leurs colonies prennent constamment des formes rugueuses nettement plus complexes que celles généralement observées dans les plats plats. Ces formes ressemblent à une tête ramifiée de brocoli.
Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique à Princeton et auteur principal de l'étude, a déclaré : « Depuis que les bactéries ont été découvertes il y a plus de 300 ans, la plupart des recherches en laboratoire les ont étudiées dans des éprouvettes ou sur des boîtes de Pétri. Si vous essayez de regarder les bactéries se développent dans les tissus ou les sols, ceux-ci sont opaques et vous ne pouvez pas voir ce que fait la colonie. Cela a été le défi.
L'équipe de recherche de Datta a découvert ce comportement en utilisant une configuration expérimentale révolutionnaire qui leur a permis de faire des observations sans précédent de colonies bactériennes dans leur état tridimensionnel naturel. De manière inattendue, les scientifiques ont découvert que la croissance des colonies sauvages ressemblait constamment à la formation de cristaux ou la propagation du givre sur une vitre. Ces structures rugueuses et ramifiées sont courantes dans la nature, mais elles sont généralement observées dans le contexte de systèmes non vivants en expansion ou convergents.
Datta a dit "Nous avons constaté que la croissance en 3D des colonies bactériennes présente un processus très similaire malgré le fait qu'il s'agit de collectifs d'organismes vivants."
Datta a dit « À un niveau fondamental, nous sommes ravis que ce travail révèle des liens surprenants entre le développement de la forme et de la fonction dans les systèmes biologiques et les études des processus de croissance inanimés en science des matériaux et en physique statistique. Mais aussi, nous pensons que cette nouvelle vision du moment et de l'endroit où les cellules se développent en 3D intéressera toute personne intéressée par la croissance bactérienne, comme dans les applications environnementales, industrielles et biomédicales.
Depuis plusieurs années, le groupe de recherche de Datta travaille sur un système pour étudier les événements généralement cachés dans des environnements obscurs, y compris les fluides s'écoulant à travers les sols. L'équipe soutient la croissance bactérienne en 3-D en utilisant des hydrogels spécialement conçus et des polymères absorbant l'eau similaires au jello et lentilles de contact. Contrairement à ces versions courantes d'hydrogels, les matériaux de Datta sont constitués de minuscules boules d'hydrogel facilement déformées par les bactéries, permettant le libre passage de l'oxygène, et les nutriments qui favorisent la croissance bactérienne sont transparents à la lumière.
Datta a dit « C'est comme une fosse à balles où chaque balle est un hydrogel individuel. Ils sont microscopiques, vous ne pouvez donc pas les voir. L'équipe de recherche a calibré la composition de l'hydrogel pour imiter la structure du sol ou des tissus. L'hydrogel est suffisamment solide pour supporter la croissance de la colonie bactérienne sans présenter suffisamment de résistance pour limiter la croissance.
"Au fur et à mesure que les colonies bactériennes se développent dans la matrice d'hydrogel, elles peuvent facilement réorganiser les boules autour d'elles, de sorte qu'elles ne sont pas piégées. C'est comme plonger le bras dans la piscine à balles. Si vous le faites glisser, les boules se réarrangent autour de votre bras.
Pour étudier comment les bactéries se développent en trois dimensions, les chercheurs ont mené des essais avec quatre types distincts de bactéries, dont une qui contribue à la saveur acide du kombucha.
Datta a dit « Nous avons changé les types de cellules, les conditions nutritionnelles et les propriétés de l'hydrogel. Nous avons systématiquement changé tous ces paramètres, mais cela semble être un phénomène générique.
« Deux facteurs semblaient être à l'origine de la croissance en forme de brocoli à la surface d'une colonie. Premièrement, les bactéries ayant accès à des niveaux élevés de nutriments ou d'oxygène se développeront et se reproduiront plus rapidement que dans un environnement moins abondant. Même les environnements les plus uniformes ont une densité inégale de nutriments, et ces variations font que des taches à la surface de la colonie avancent ou reculent. Répété en trois dimensions, cela provoque la formation de bosses et de nodules dans la colonie bactérienne, car certains sous-groupes de bactéries se développent plus rapidement que leurs voisins.
« Deuxièmement, les chercheurs ont observé que seules les bactéries proches de la surface de la colonie se développaient et se divisaient en croissance tridimensionnelle. Les bactéries entassées au centre de la colonie semblaient tomber dans un état dormant. Parce que les bactéries à l'intérieur ne se développaient pas et ne se divisaient pas, la surface extérieure n'était pas soumise à une pression qui la ferait se dilater uniformément. Au lieu de cela, son expansion est principalement motivée par la croissance tout au long de la périphérie de la colonie. Et la croissance le long du bord est sujette à des variations de nutriments qui finissent par entraîner une croissance cahoteuse et inégale.
Alejandro Martinez-Calvo, chercheur postdoctoral à Princeton et premier auteur de l'article, a déclaré : « Si la croissance était uniforme et qu'il n'y avait pas de différence entre les bactéries à l'intérieur de la colonie et celles à la périphérie, ce serait comme remplir un ballon. La pression de l'intérieur comblerait toutes les perturbations à la périphérie.
Pour expliquer pourquoi cette pression n'était pas présente, les chercheurs ont ajouté une étiquette fluorescente aux protéines qui deviennent actives dans les cellules lorsque les bactéries se développent. La protéine fluorescente s'allume lorsque les bactéries sont actives et reste sombre lorsqu'elles ne le sont pas. En observant les colonies, les chercheurs ont vu que les bactéries sur le bord de la colonie étaient vert clair, tandis que le noyau restait sombre.
Datta a affirmé Valérie Plante., "La colonie s'auto-organise essentiellement en un noyau et une coquille qui se comportent de manière très différente."
"La théorie est que les bactéries sur les bords de la colonie ramassent la plupart des nutriments et de l'oxygène, laissant peu pour les bactéries à l'intérieur."
"Nous pensons qu'ils dorment parce qu'ils sont affamés, bien qu'il ait averti que des recherches supplémentaires étaient nécessaires pour explorer cela."
« Les expériences et les modèles mathématiques utilisés par les chercheurs ont trouvé une limite supérieure aux bosses qui se sont formées sur les surfaces des colonies. La surface bosselée résulte de variations aléatoires de la oxygène et les nutriments dans l'environnement, mais le caractère aléatoire a tendance à s'équilibrer dans certaines limites.
«La rugosité a une limite supérieure de sa taille – la taille du fleuron si nous la comparons au brocoli. Nous avons pu prédire cela à partir des calculs, et cela semble être une caractéristique inévitable des grandes colonies qui poussent en 3D. »
«Parce que la croissance bactérienne avait tendance à suivre un schéma similaire à la croissance cristalline et à d'autres phénomènes bien étudiés de matériaux inanimés, les chercheurs ont pu adapter des modèles mathématiques standard pour refléter la croissance bactérienne. Il a déclaré que les recherches futures se concentreront probablement sur une meilleure compréhension des mécanismes à l'origine de la croissance, les implications des formes de croissance approximatives pour le fonctionnement des colonies et l'application de ces leçons à d'autres domaines d'intérêt.
"En fin de compte, ce travail nous donne plus d'outils pour comprendre, et éventuellement contrôler, comment les bactéries se développent dans la nature."
Journal de référence:
- Alejandro Martínez-Calvo, Instabilité morphologique et rugosité des colonies bactériennes 3D en croissance. Actes de l'Académie nationale des sciences. EST CE QUE JE: 10.1073 / pnas.2208019119
