Bagaimana koloni bakteri yang tumbuh mendapatkan bentuknya? Sementara morfogenesis koloni dipelajari dengan baik dalam dua dimensi, banyak bakteri tumbuh sebagai koloni besar dalam lingkungan tiga dimensi (3D). Namun, sedikit yang diketahui tentang morfologi koloni bakteri yang tumbuh dalam tiga dimensi.
Sekarang, a Princeton tim telah menemukan cara untuk mengamati bakteri dalam lingkungan 3-D. Mereka menemukan bahwa sebagai bakteri berkembang biak, koloni mereka secara konsisten mengambil bentuk kasar yang secara signifikan lebih rumit daripada yang umumnya diamati di piring datar. Bentuk-bentuk ini menyerupai kepala brokoli yang bercabang.
Sujit Datta, asisten profesor teknik kimia dan biologi di Princeton dan penulis senior studi tersebut, mengatakan, “Sejak bakteri ditemukan lebih dari 300 tahun yang lalu, sebagian besar penelitian laboratorium telah mempelajarinya di tabung reaksi atau di cawan Petri. Jika Anda mencoba untuk menonton bakteri tumbuh di jaringan atau tanah, itu buram, dan Anda tidak bisa melihat apa yang dilakukan koloni. Itulah tantangannya.”
Tim peneliti Datta mengungkap perilaku ini menggunakan terobosan pengaturan eksperimental yang memungkinkan mereka melakukan pengamatan koloni bakteri yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam keadaan tiga dimensi alami mereka. Tanpa diduga, para ilmuwan menemukan bahwa pertumbuhan koloni liar terus-menerus menyerupai pembentukan kristal atau penyebaran embun beku di kaca jendela. Struktur kasar dan bercabang ini umum di seluruh alam, tetapi biasanya terlihat dalam konteks perluasan atau konvergensi sistem tak hidup.
Datta berkata, “Kami menemukan bahwa tumbuh dalam 3-D, koloni bakteri menunjukkan proses yang sangat mirip meskipun faktanya ini adalah kumpulan organisme hidup.”
Datta berkata, “Pada tingkat dasar, kami senang bahwa karya ini mengungkapkan hubungan mengejutkan antara pengembangan bentuk dan fungsi dalam sistem biologis dan studi tentang proses pertumbuhan benda mati dalam ilmu material dan fisika statistik. Tetapi juga, kami pikir pandangan baru tentang kapan dan di mana sel tumbuh dalam 3-D akan menarik minat siapa pun yang tertarik pada pertumbuhan bakteri, seperti dalam aplikasi lingkungan, industri, dan biomedis.”
Selama beberapa tahun, kelompok riset Datta telah mengerjakan sebuah sistem untuk mempelajari peristiwa-peristiwa yang biasanya tersembunyi di lingkungan yang tidak jelas, termasuk fluida yang mengalir melalui tanah. Tim mendukung pertumbuhan bakteri dalam 3-D dengan menggunakan hidrogel yang direkayasa khusus dan polimer penyerap air yang mirip dengan jello dan lensa kontak. Tidak seperti versi hidrogel yang umum, bahan Datta terdiri dari bola-bola kecil hidrogel yang mudah berubah bentuk oleh bakteri, memungkinkan lewatnya oksigen secara bebas, dan nutrisi yang mendukung pertumbuhan bakteri transparan terhadap cahaya.
Datta berkata, “Ini seperti lubang bola di mana setiap bola adalah hidrogel individu. Mereka mikroskopis, jadi Anda tidak bisa melihatnya. Tim peneliti mengkalibrasi susunan hidrogel untuk meniru struktur tanah atau jaringan. Hidrogel cukup kuat untuk mendukung pertumbuhan koloni bakteri tanpa menimbulkan resistensi yang cukup untuk menghambat pertumbuhan.”
“Saat koloni bakteri tumbuh dalam matriks hidrogel, mereka dapat dengan mudah mengatur ulang bola di sekitar mereka, sehingga mereka tidak terjebak. Ini seperti memasukkan tangan Anda ke dalam lubang bola. Jika Anda menyeretnya, bola akan mengatur ulang di sekitar lengan Anda. ”
Untuk mempelajari bagaimana bakteri tumbuh dalam tiga dimensi, para peneliti melakukan uji coba dengan empat jenis bakteri yang berbeda, termasuk satu yang berkontribusi pada rasa asam kombucha.
Datta berkata, “Kami mengubah jenis sel, kondisi nutrisi, dan sifat hidrogel. Kami secara sistematis mengubah semua parameter itu, tetapi ini tampaknya menjadi fenomena umum.”
“Dua faktor tampaknya menyebabkan pertumbuhan berbentuk brokoli di permukaan koloni. Pertama, bakteri dengan akses ke nutrisi atau oksigen tingkat tinggi akan tumbuh dan berkembang biak lebih cepat daripada di lingkungan yang kurang berlimpah. Bahkan lingkungan yang paling seragam pun memiliki kepadatan nutrisi yang tidak merata, dan variasi ini menyebabkan bintik-bintik di permukaan koloni melonjak ke depan atau ke belakang. Berulang dalam tiga dimensi, ini menyebabkan koloni bakteri membentuk benjolan dan nodul karena beberapa subkelompok bakteri tumbuh lebih cepat daripada tetangganya.”
“Kedua, para peneliti mengamati bahwa hanya bakteri yang dekat dengan permukaan koloni yang tumbuh dan terbagi dalam pertumbuhan tiga dimensi. Bakteri yang dijejalkan ke dalam pusat koloni itu tampaknya terjerumus ke dalam keadaan tidak aktif. Karena bakteri di dalamnya tidak tumbuh dan membelah, permukaan luar tidak mengalami tekanan yang akan menyebabkannya mengembang secara merata. Sebaliknya, perluasannya terutama didorong oleh pertumbuhan di sepanjang tepi koloni. Dan pertumbuhan di sepanjang tepi tunduk pada variasi nutrisi yang pada akhirnya menghasilkan pertumbuhan yang tidak rata dan bergelombang.”
Alejandro Martinez-Calvo, seorang peneliti postdoctoral di Princeton dan penulis pertama makalah tersebut, mengatakan, “Jika pertumbuhannya seragam, dan tidak ada perbedaan antara bakteri di dalam koloni dan di pinggiran, itu seperti mengisi balon. Tekanan dari dalam akan mengisi setiap gangguan di pinggiran.”
Untuk menjelaskan mengapa tekanan ini tidak ada, para peneliti menambahkan tag fluoresen ke protein yang menjadi aktif dalam sel ketika bakteri tumbuh. Protein fluoresen menyala saat bakteri aktif dan tetap gelap saat tidak aktif. Mengamati koloni, para peneliti melihat bahwa bakteri di tepi koloni berwarna hijau terang, sedangkan intinya tetap gelap.
data tersebut, “Koloni pada dasarnya mengatur dirinya sendiri menjadi inti dan cangkang yang berperilaku dengan cara yang sangat berbeda.”
“Teorinya adalah bahwa bakteri di tepi koloni mengambil sebagian besar nutrisi dan oksigen, meninggalkan sedikit untuk bakteri di dalamnya.”
"Kami pikir mereka akan tidak aktif karena mereka kelaparan, meskipun dia memperingatkan bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengeksplorasi ini."
“Eksperimen dan model matematika yang digunakan oleh para peneliti menemukan batas atas gundukan yang terbentuk di permukaan koloni. Permukaan bergelombang dihasilkan dari variasi acak dalam oksigen dan nutrisi di lingkungan, tetapi keacakan cenderung merata dalam batas-batas tertentu.”
“Kekasarannya memiliki batas atas seberapa besar ia bisa tumbuh — ukuran kuntum jika kita membandingkannya dengan brokoli. Kami dapat memprediksi itu dari matematika, dan itu tampaknya menjadi fitur tak terelakkan dari koloni besar yang tumbuh dalam 3-D.”
“Karena pertumbuhan bakteri cenderung mengikuti pola yang sama seperti pertumbuhan kristal dan fenomena bahan mati lainnya yang dipelajari dengan baik, para peneliti mampu mengadaptasi model matematika standar untuk mencerminkan pertumbuhan bakteri. Dia mengatakan penelitian di masa depan kemungkinan akan fokus pada pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme di balik pertumbuhan, implikasi dari bentuk pertumbuhan kasar untuk fungsi koloni, dan menerapkan pelajaran ini ke bidang minat lain.
“Pada akhirnya, pekerjaan ini memberi kita lebih banyak alat untuk memahami, dan pada akhirnya mengendalikan, bagaimana bakteri tumbuh di alam.”
Referensi Jurnal:
- Alejandro Martínez-Calvo, Ketidakstabilan morfologi dan kekasaran koloni bakteri 3D yang sedang tumbuh. Prosiding National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
