Hogyan alakulnak ki a növekvő baktériumkolóniák? Míg a telepek morfogenezise jól tanulmányozott két dimenzióban, sok baktérium nagy telepként nő háromdimenziós (3D) környezetben. Keveset tudunk azonban a három dimenzióban növekvő baktériumok kolóniamorfológiájáról.
Most, a Princeton csapat feltalált egy módszert a baktériumok megfigyelésére 3D környezetben. Felfedezték, hogy ahogy a baktériumok szaporodnak, kolóniáik következetesen durva formákat vesznek fel, amelyek lényegesen bonyolultabbak, mint a lapos edényekben általában megfigyelhetők. Ezek a formák a brokkoli elágazó fejére emlékeztetnek.
Sujit Datta, a Princeton vegyész- és biológiai mérnöki adjunktusa és a tanulmány vezető szerzője elmondta: „Amióta több mint 300 évvel ezelőtt felfedezték a baktériumokat, a legtöbb laboratóriumi kutatás kémcsövekben vagy Petri-csészéken vizsgálta őket. Ha megpróbálod nézni baktériumok szaporodnak a szövetekben vagy a talajban ezek átlátszatlanok, és nem látható, mit csinál a kolónia. Ez volt a kihívás.”
A Datta kutatócsoportja egy áttörő kísérleti elrendezéssel fedezte fel ezt a viselkedést, amely lehetővé tette számukra, hogy soha nem látott megfigyeléseket végezzenek a baktériumkolóniákról természetes, háromdimenziós állapotukban. A tudósok váratlanul felfedezték, hogy a vadon élő kolóniák növekedése folyamatosan hasonlít a kristályok képződése vagy a dér terjedése ablaküvegen. Ezek a durva, elágazó struktúrák az egész természetben gyakoriak, de általában táguló vagy konvergáló élettelen rendszerek összefüggésében láthatóak.
Datta azt mondta: „Azt találtuk, hogy a háromdimenziós baktériumkolóniák növekedése nagyon hasonló folyamatot mutat, annak ellenére, hogy ezek élő szervezetek kollektívái.”
Datta azt mondta: „Alapvetően izgatottak vagyunk, hogy ez a munka meglepő összefüggéseket tár fel a biológiai rendszerek forma- és funkciófejlődése, valamint az élettelen növekedési folyamatok anyagtudományi és statisztikai fizika tanulmányai között. Ugyanakkor úgy gondoljuk, hogy ez az új nézet arról, hogy mikor és hol nőnek a sejtek 3D-ben, mindenkit érdekelni fog, aki érdeklődik a baktériumok szaporodása iránt, például a környezetvédelmi, ipari és orvosbiológiai alkalmazások iránt.”
A Datta kutatócsoportja több éve dolgozik egy olyan rendszeren, amely jellemzően homályos környezetben rejtőzködő eseményeket vizsgál, beleértve a talajon átáramló folyadékot is. A csapat támogatja a baktériumok növekedését 3D-ben speciálisan megtervezett hidrogélek és vízelnyelő polimerek használatával, amelyek hasonlóak a jello-hoz és kontaktlencse. A hidrogélek szokásos változataival ellentétben a Datta anyagai apró hidrogélgolyókból állnak, amelyeket a baktériumok könnyen deformálnak, lehetővé téve az oxigén szabad áthaladását, és a baktériumok növekedését támogató tápanyagok átlátszóak a fény számára.
Datta azt mondta: „Olyan ez, mint egy labdagödör, ahol minden egyes labda egyedi hidrogél. Mikroszkopikus méretűek, így nem látod őket. A kutatócsoport úgy kalibrálta a hidrogél összetételét, hogy utánozza a talaj vagy a szövet szerkezetét. A hidrogél elég erős ahhoz, hogy támogassa a növekvő baktériumkolóniát anélkül, hogy elegendő ellenállást mutatna a növekedés korlátozásához.
„Amint a baktériumkolóniák növekednek a hidrogél mátrixban, könnyen átrendezhetik maguk körül a golyókat, így nem szorulnak be. Olyan ez, mintha a labdagödörbe merítené a karját. Ha áthúzod, a golyók átrendeződnek a karod körül."
A baktériumok háromdimenziós növekedésének tanulmányozására a kutatók négy különböző típusú baktériummal végeztek kísérleteket, köztük egy olyannal, amely hozzájárul a kombucha savas ízéhez.
Datta azt mondta: „Megváltoztattuk a sejttípusokat, a tápanyagkörülményeket és a hidrogél tulajdonságait. Ezeket a paramétereket szisztematikusan megváltoztattuk, de ez általános jelenségnek tűnik.”
„Úgy tűnt, két tényező okozta a brokkoli alakú növekedést egy kolónia felszínén. Először is, azok a baktériumok, amelyek nagy mennyiségű tápanyaghoz vagy oxigénhez férnek hozzá, gyorsabban növekednek és szaporodnak, mint egy kevésbé bőséges környezetben. Még a legegyenletesebb környezetben is előfordul némi egyenetlen tápanyagsűrűség, és ezek az eltérések a kolónia felszínén lévő foltok előretörését vagy lemaradását okozzák. Három dimenzióban ismétlődően ez a baktériumkolóniában dudorokat és csomókat hoz létre, mivel a baktériumok egyes alcsoportjai gyorsabban növekednek, mint szomszédaik.
„Másodszor a kutatók azt figyelték meg, hogy csak a telep felszínéhez közeli baktériumok növekedtek és osztódtak háromdimenziós növekedésben. A telep központjába zsúfolt baktériumok mintha alvó állapotba kerültek volna. Mivel a benne lévő baktériumok nem növekedtek és nem osztódtak, a külső felület nem volt kitéve olyan nyomásnak, amely egyenletesen terjeszkedne. Ehelyett terjeszkedését elsősorban a kolónia legszélén történő növekedés vezérli. És a szél mentén a növekedés ki van téve a tápanyag-ingadozásoknak, amelyek végül göröngyös, egyenetlen növekedést eredményeznek.
Alejandro Martinez-Calvo, a Princeton posztdoktori kutatója és a lap első szerzője elmondta: „Ha a növekedés egyenletes lenne, és nem lenne különbség a telepen belüli és a periférián lévő baktériumok között, az olyan lenne, mintha egy léggömböt töltenének meg. A belső nyomás kitölti a perifériás zavarokat.”
Hogy megmagyarázzák, miért nem volt jelen ez a nyomás, a kutatók fluoreszcens címkét adtak a fehérjékhez, amelyek akkor válnak aktívvá a sejtekben, amikor a baktériumok növekednek. A fluoreszkáló fehérje világít, ha a baktériumok aktívak, és sötét marad, ha nem. A kolóniákat megfigyelve a kutatók azt látták, hogy a telep szélén lévő baktériumok élénkzöldek, míg a mag sötét maradt.
Datta mondott, „A kolónia lényegében magába és héjba szerveződik, amelyek nagyon eltérő módon viselkednek.”
"Az elmélet szerint a telep szélén lévő baktériumok felszívják a legtöbb tápanyagot és oxigént, keveset hagyva a belső baktériumoknak."
"Úgy gondoljuk, hogy szunnyadnak, mert éheznek, bár figyelmeztetett, hogy ennek felderítéséhez további kutatásokra van szükség."
„A kutatók által használt kísérletek és matematikai modellek felső határt találtak a telepek felszínén kialakuló dudoroknak. A göröngyös felület a véletlenszerű eltérések eredménye oxigén és tápanyagok a környezetben, de a véletlenszerűség bizonyos határok között kiegyenlítődik.”
„Az érdességnek van egy felső határa, hogy mekkora méretűre nőhet – a virágméret, ha a brokkolihoz hasonlítjuk. Ezt meg tudtuk jósolni a matematika alapján, és úgy tűnik, ez elkerülhetetlen jellemzője a 3D-ben növekvő nagy kolóniáknak.
„Mivel a baktériumok növekedése hasonló mintát követett, mint a kristálynövekedés és az élettelen anyagok más jól tanulmányozott jelenségei, a kutatók képesek voltak standard matematikai modelleket adaptálni, hogy tükrözzék a baktériumok növekedését. Azt mondta, hogy a jövőbeli kutatások valószínűleg a növekedés mögött meghúzódó mechanizmusok jobb megértésére, a durva növekedési formák kolóniák működésére gyakorolt hatásainak jobb megértésére, valamint ezeknek a tanulságoknak más érdeklődési területekre való alkalmazására fognak összpontosítani.
"Végső soron ez a munka több eszközt ad számunkra a baktériumok természetben való növekedésének megértéséhez, és végül annak ellenőrzéséhez."
Journal Reference:
- Alejandro Martínez-Calvo: Morfológiai instabilitás és növekvő 3D-s baktériumkolóniák eldurvulása. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
