बढ़ती हुई जीवाणु कॉलोनियों को अपना आकार कैसे मिलता है? जबकि कॉलोनी मोर्फोजेनेसिस का दो आयामों में अच्छी तरह से अध्ययन किया जाता है, कई बैक्टीरिया त्रि-आयामी (3 डी) वातावरण में बड़ी कॉलोनियों के रूप में विकसित होते हैं। हालांकि, तीन आयामों में बढ़ने वाले बैक्टीरिया के कॉलोनी आकारिकी के बारे में बहुत कम जानकारी है।
अब एक प्रिंस्टन टीम ने 3-डी वातावरण में बैक्टीरिया का निरीक्षण करने का एक तरीका ईजाद किया है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे बैक्टीरिया गुणा करते हैं, उनकी कॉलोनियां लगातार खुरदरी आकार लेती हैं जो आम तौर पर फ्लैट व्यंजनों में देखी जाने वाली तुलना में काफी अधिक जटिल होती हैं। ये आकार ब्रोकली के शाखाओं वाले सिर के समान होते हैं।
प्रिंसटन में रसायन और जैविक इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक सुजीत दत्ता ने कहा, "जब से 300 साल पहले बैक्टीरिया की खोज की गई थी, तब से अधिकांश प्रयोगशाला अनुसंधानों ने टेस्ट ट्यूब या पेट्री डिश पर उनका अध्ययन किया है। अगर आप देखने की कोशिश करते हैं बैक्टीरिया बढ़ते हैं ऊतकों या मिट्टी में, वे अपारदर्शी होते हैं, और आप नहीं देख सकते कि कॉलोनी क्या कर रही है। यही चुनौती रही है।"
दत्ता की शोध टीम ने एक सफल प्रयोगात्मक सेटअप का उपयोग करके इस व्यवहार को उजागर किया जिसने उन्हें अपने प्राकृतिक, त्रि-आयामी राज्य में जीवाणु उपनिवेशों के अभूतपूर्व अवलोकन करने की अनुमति दी। अप्रत्याशित रूप से, वैज्ञानिकों ने पाया कि जंगली उपनिवेशों की वृद्धि लगातार समान थी क्रिस्टल का निर्माण या खिड़की के शीशे पर पाले का फैलाव। ये खुरदरी, शाखाओं वाली संरचनाएं पूरे प्रकृति में आम हैं, लेकिन इन्हें आमतौर पर गैर-जीवित प्रणालियों के विस्तार या अभिसरण के संदर्भ में देखा जाता है।
दत्ता ने कहा, "हमने पाया कि 3-डी में बढ़ने से, जीवाणु उपनिवेश एक समान प्रक्रिया प्रदर्शित करते हैं, इस तथ्य के बावजूद कि ये जीवित जीवों के समूह हैं।"
दत्ता ने कहा, "एक मौलिक स्तर पर, हम उत्साहित हैं कि यह काम जैविक प्रणालियों में रूप और कार्य के विकास और सामग्री विज्ञान और सांख्यिकीय भौतिकी में निर्जीव विकास प्रक्रियाओं के अध्ययन के बीच आश्चर्यजनक संबंध प्रकट करता है। लेकिन साथ ही, हमें लगता है कि 3-डी में कोशिकाएं कब और कहां बढ़ रही हैं, इस बारे में यह नया दृष्टिकोण बैक्टीरिया के विकास में रुचि रखने वाले किसी भी व्यक्ति को दिलचस्पी देगा, जैसे कि पर्यावरण, औद्योगिक और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में।
कई वर्षों से, दत्ता का शोध समूह मिट्टी के माध्यम से बहने वाले तरल पदार्थ सहित अस्पष्ट वातावरण में छिपी घटनाओं का अध्ययन करने के लिए एक प्रणाली पर काम कर रहा है। टीम विशेष रूप से इंजीनियर हाइड्रोजेल और जेलो के समान जल-अवशोषक पॉलिमर का उपयोग करके 3-डी में बैक्टीरिया के विकास का समर्थन करती है। संपर्क लेंस. हाइड्रोजेल के उन सामान्य संस्करणों के विपरीत, दत्ता की सामग्री बैक्टीरिया द्वारा आसानी से विकृत हाइड्रोजेल की छोटी गेंदों से बनी होती है, जिससे ऑक्सीजन के मुक्त मार्ग की अनुमति मिलती है, और पोषक तत्व जो बैक्टीरिया के विकास का समर्थन करते हैं वे प्रकाश के लिए पारदर्शी होते हैं।
दत्ता ने कहा, "यह एक बॉल पिट की तरह है जहां प्रत्येक गेंद एक व्यक्तिगत हाइड्रोजेल है। वे सूक्ष्म हैं, इसलिए आप उन्हें देख नहीं सकते। शोध दल ने मिट्टी या ऊतक की संरचना की नकल करने के लिए हाइड्रोजेल के मेकअप को कैलिब्रेट किया। हाइड्रोजेल इतना मजबूत होता है कि वृद्धि को बाधित करने के लिए पर्याप्त प्रतिरोध प्रस्तुत किए बिना बढ़ती जीवाणु कॉलोनी का समर्थन करता है।"
"जैसे ही हाइड्रोजेल मैट्रिक्स में जीवाणु उपनिवेश बढ़ते हैं, वे आसानी से अपने चारों ओर गेंदों को पुनर्व्यवस्थित कर सकते हैं, इसलिए वे फंस नहीं जाते हैं। यह आपके हाथ को बॉल पिट में डुबाने जैसा है। यदि आप इसे खींचते हैं, तो गेंदें आपके हाथ के चारों ओर पुनर्व्यवस्थित हो जाती हैं।"
बैक्टीरिया तीन आयामों में कैसे बढ़ते हैं, इसका अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ताओं ने चार अलग-अलग प्रकार के जीवाणुओं के साथ परीक्षण किया, जिनमें से एक कोम्बुचा के अम्लीय स्वाद में योगदान देता है।
दत्ता ने कहा, "हमने सेल प्रकार, पोषक तत्वों की स्थिति और हाइड्रोजेल गुणों को बदल दिया। हमने उन सभी मापदंडों को व्यवस्थित रूप से बदल दिया है, लेकिन यह एक सामान्य घटना प्रतीत होती है।"
"दो कारक एक कॉलोनी की सतह पर ब्रोकोली के आकार के विकास का कारण लग रहे थे। सबसे पहले, पोषक तत्वों या ऑक्सीजन के उच्च स्तर तक पहुंच वाले बैक्टीरिया कम प्रचुर मात्रा में वातावरण की तुलना में तेजी से विकसित और पुनरुत्पादित होंगे। यहां तक कि सबसे समान वातावरण में पोषक तत्वों का कुछ असमान घनत्व होता है, और इन विविधताओं के कारण कॉलोनी की सतह पर धब्बे आगे बढ़ जाते हैं या पीछे गिर जाते हैं। तीन आयामों में दोहराया गया, यह जीवाणु कॉलोनी को टक्कर और नोड्यूल बनाने का कारण बनता है क्योंकि बैक्टीरिया के कुछ उपसमूह अपने पड़ोसियों की तुलना में अधिक तेज़ी से बढ़ते हैं।"
"दूसरा, शोधकर्ताओं ने देखा कि केवल कॉलोनी की सतह के करीब बैक्टीरिया बढ़े और त्रि-आयामी विकास में विभाजित हो गए। कॉलोनी के केंद्र में घुसे बैक्टीरिया निष्क्रिय अवस्था में चले गए। क्योंकि अंदर के बैक्टीरिया नहीं बढ़ रहे थे और विभाजित नहीं हो रहे थे, बाहरी सतह पर दबाव नहीं था जिससे यह समान रूप से फैल सके। इसके बजाय, इसका विस्तार मुख्य रूप से कॉलोनी के किनारे के विकास से प्रेरित है। और किनारे के साथ विकास पोषक तत्वों की विविधता के अधीन है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः ऊबड़, असमान विकास होता है।"
प्रिंसटन के पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और पेपर के पहले लेखक एलेजांद्रो मार्टिनेज-कैल्वो ने कहा, "अगर विकास एक समान था, और कॉलोनी के अंदर और परिधि पर बैक्टीरिया के बीच कोई अंतर नहीं था, तो यह एक गुब्बारा भरने जैसा होगा। अंदर से दबाव परिधि पर किसी भी तरह की गड़बड़ी को भर देगा। ”
यह समझाने के लिए कि यह दबाव क्यों मौजूद नहीं था, शोधकर्ताओं ने प्रोटीन में एक फ्लोरोसेंट टैग जोड़ा जो बैक्टीरिया के बढ़ने पर कोशिकाओं में सक्रिय हो जाता है। जब बैक्टीरिया सक्रिय होते हैं तो फ्लोरोसेंट प्रोटीन रोशनी करता है और जब वे नहीं होते हैं तो अंधेरा रहता है। उपनिवेशों का अवलोकन करते हुए, शोधकर्ताओं ने देखा कि कॉलोनी के किनारे पर बैक्टीरिया चमकीले हरे रंग के थे, जबकि कोर अंधेरा बना हुआ था।
दत्ता कहा, "कॉलोनी अनिवार्य रूप से एक कोर और एक शेल में स्व-व्यवस्थित होती है जो बहुत अलग तरीके से व्यवहार करती है।"
"सिद्धांत यह है कि कॉलोनी के किनारों पर बैक्टीरिया अधिकांश पोषक तत्वों और ऑक्सीजन को सोख लेते हैं, जिससे अंदर के बैक्टीरिया के लिए बहुत कम बचता है।"
"हमें लगता है कि वे निष्क्रिय हो रहे हैं क्योंकि वे भूखे हैं, हालांकि उन्होंने आगाह किया कि इसका पता लगाने के लिए और शोध की आवश्यकता थी।"
"शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए गए प्रयोगों और गणितीय मॉडल में कॉलोनी की सतहों पर बनने वाले धक्कों की ऊपरी सीमा पाई गई। ऊबड़-खाबड़ सतह का परिणाम यादृच्छिक भिन्नताओं से होता है ऑक्सीजन और पर्यावरण में पोषक तत्व, लेकिन यादृच्छिकता कुछ सीमाओं में भी बाहर हो जाती है।"
"खुरदरापन की ऊपरी सीमा होती है कि यह कितना बड़ा हो सकता है - अगर हम ब्रोकोली से इसकी तुलना करते हैं तो फ्लोरेट आकार। हम गणित से इसका अनुमान लगाने में सक्षम थे, और यह 3-डी में बढ़ने वाली बड़ी कॉलोनियों की एक अनिवार्य विशेषता प्रतीत होती है।"
"चूंकि जीवाणु वृद्धि क्रिस्टल विकास और निर्जीव सामग्रियों की अन्य अच्छी तरह से अध्ययन की गई घटनाओं के समान पैटर्न का पालन करने के लिए प्रेरित होती है, शोधकर्ता बैक्टीरिया के विकास को प्रतिबिंबित करने के लिए मानक गणितीय मॉडल को अनुकूलित करने में सक्षम थे। उन्होंने कहा कि भविष्य के शोध में विकास के पीछे के तंत्र को बेहतर ढंग से समझने, कॉलोनी के कामकाज के लिए किसी न किसी तरह के विकास के प्रभाव, और इन पाठों को ब्याज के अन्य क्षेत्रों में लागू करने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा।
"आखिरकार, यह काम हमें समझने के लिए और अधिक उपकरण देता है, और अंततः नियंत्रित करता है कि प्रकृति में बैक्टीरिया कैसे बढ़ता है।"
जर्नल संदर्भ:
- एलेजांद्रो मार्टिनेज-कैल्वो, मॉर्फोलॉजिकल अस्थिरता और बढ़ती 3 डी बैक्टीरियल कॉलोनियों का खुरदरापन। नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही। DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
