Come prendono forma le colonie batteriche in crescita? Sebbene la morfogenesi delle colonie sia ben studiata in due dimensioni, molti batteri crescono come grandi colonie in ambienti tridimensionali (3D). Tuttavia, si sa poco sulle morfologie delle colonie di batteri che crescono in tre dimensioni.
Ora, un Princeton il team ha inventato un modo per osservare i batteri in ambienti 3D. Hanno scoperto che man mano che i batteri si moltiplicano, le loro colonie assumono costantemente forme ruvide che sono significativamente più complesse di quelle generalmente osservate nei piatti piatti. Queste forme ricordano una testa ramificata di broccoli.
Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton e autore senior dello studio, ha affermato: “Da quando i batteri furono scoperti, oltre 300 anni fa, la maggior parte delle ricerche di laboratorio li hanno studiati in provette o su piastre di Petri. Se provi a guardare i batteri crescono nei tessuti o nel suolo, questi sono opachi e non puoi vedere cosa sta facendo la colonia. Questa è stata la sfida”.
Il gruppo di ricerca di Datta ha scoperto questo comportamento utilizzando un apparato sperimentale innovativo che ha permesso loro di effettuare osservazioni senza precedenti delle colonie batteriche nel loro stato tridimensionale naturale. Inaspettatamente, gli scienziati hanno scoperto che la crescita delle colonie selvatiche somigliava costantemente a quella formazione di cristalli o la diffusione della brina su un vetro. Queste strutture grezze e ramificate sono comuni in tutta la natura, ma di solito sono viste nel contesto di sistemi non viventi in espansione o convergenza.
Datta ha detto, “Abbiamo scoperto che crescendo in 3-D, le colonie batteriche mostrano un processo molto simile nonostante si tratti di collettivi di organismi viventi”.
Datta ha detto, “A livello fondamentale, siamo entusiasti che questo lavoro riveli connessioni sorprendenti tra lo sviluppo di forma e funzione nei sistemi biologici e gli studi sui processi di crescita inanimati nella scienza dei materiali e nella fisica statistica. Ma riteniamo anche che questa nuova visione di quando e dove le cellule crescono in 3-D interesserà chiunque sia interessato alla crescita batterica, ad esempio nelle applicazioni ambientali, industriali e biomediche”.
Per diversi anni, il gruppo di ricerca di Datta ha lavorato su un sistema per studiare eventi tipicamente nascosti in ambienti oscuri, compreso il fluido che scorre attraverso il suolo. Il team supporta la crescita batterica in 3-D utilizzando idrogel appositamente progettati e polimeri che assorbono l'acqua simili a gelatina e lenti a contatto. A differenza delle versioni comuni di idrogel, i materiali di Datta sono costituiti da minuscole palline di idrogel facilmente deformabili dai batteri, consentendo il libero passaggio dell'ossigeno, e i nutrienti che supportano la crescita batterica sono trasparenti alla luce.
Datta ha detto, “È come una vasca di palline in cui ogni pallina è un idrogel individuale. Sono microscopici, quindi non puoi vederli. Il gruppo di ricerca ha calibrato la composizione dell'idrogel per imitare la struttura del suolo o dei tessuti. L’idrogel è abbastanza forte da supportare la crescita della colonia batterica senza presentare una resistenza sufficiente a limitarne la crescita”.
“Man mano che le colonie batteriche crescono nella matrice dell’idrogel, possono facilmente riorganizzare le sfere attorno a loro, quindi non rimangono intrappolate. È come immergere il braccio nella vasca delle palline. Se lo trascini, le palline si riorganizzano attorno al tuo braccio.
Per studiare come i batteri crescono in tre dimensioni, i ricercatori hanno condotto prove con quattro distinti tipi di batteri, incluso uno che contribuisce al sapore acido del kombucha.
Datta ha detto, “Abbiamo cambiato i tipi di cellule, le condizioni dei nutrienti e le proprietà dell’idrogel. Abbiamo modificato sistematicamente tutti questi parametri, ma questo sembra essere un fenomeno generico”.
“Due fattori sembravano causare la crescita a forma di broccoli sulla superficie di una colonia. Innanzitutto, i batteri che hanno accesso ad alti livelli di nutrienti o ossigeno cresceranno e si riprodurranno più velocemente che in un ambiente meno abbondante. Anche gli ambienti più uniformi hanno una densità irregolare di nutrienti e queste variazioni fanno sì che i punti sulla superficie della colonia si muovano in avanti o rimangano indietro. Ripetuto in tre dimensioni, questo fa sì che la colonia batterica formi protuberanze e noduli poiché alcuni sottogruppi di batteri crescono più rapidamente dei loro vicini.
“In secondo luogo, i ricercatori hanno osservato che solo i batteri vicini alla superficie della colonia crescevano e si dividevano in una crescita tridimensionale. I batteri stipati al centro della colonia sembravano cadere in uno stato dormiente. Poiché i batteri all'interno non crescevano e non si dividevano, la superficie esterna non era soggetta a pressione che ne avrebbe causato un'espansione uniforme. Invece, la sua espansione è principalmente guidata dalla crescita lungo i margini estremi della colonia. E la crescita lungo il bordo è soggetta a variazioni di nutrienti che alla fine si traducono in una crescita irregolare e irregolare”.
Alejandro Martinez-Calvo, ricercatore post-dottorato a Princeton e primo autore dello studio, ha detto: “Se la crescita fosse uniforme e non ci fossero differenze tra i batteri all’interno della colonia e quelli alla periferia, sarebbe come riempire un palloncino. La pressione dall’interno riempirebbe eventuali perturbazioni alla periferia”.
Per spiegare perché questa pressione non era presente, i ricercatori hanno aggiunto un tag fluorescente alle proteine che si attivano nelle cellule quando i batteri crescono. La proteina fluorescente si illumina quando i batteri sono attivi e rimane scura quando non lo sono. Osservando le colonie, i ricercatori hanno visto che i batteri sul bordo della colonia erano di colore verde brillante, mentre il nucleo rimaneva scuro.
dati disse, “La colonia essenzialmente si auto-organizza in un nucleo e un guscio che si comportano in modi molto diversi”.
"La teoria è che i batteri ai margini della colonia raccolgono la maggior parte dei nutrienti e dell'ossigeno, lasciandone poco per i batteri interni."
“Pensiamo che stiano diventando dormienti perché muoiono di fame, anche se ha avvertito che sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare questo aspetto”.
“Gli esperimenti e i modelli matematici utilizzati dai ricercatori hanno trovato un limite superiore alle protuberanze che si formavano sulle superfici delle colonie. La superficie irregolare risulta da variazioni casuali nel ossigeno e nutrienti nell’ambiente, ma la casualità tende a livellarsi entro certi limiti”.
“La rugosità ha un limite superiore di quanto può crescere: la dimensione del fiore se lo confrontiamo con i broccoli. Siamo stati in grado di prevederlo in base ai calcoli, e sembra essere una caratteristica inevitabile delle grandi colonie che crescono in 3-D”.
“Poiché la crescita batterica tendeva a seguire un modello simile alla crescita dei cristalli e ad altri fenomeni ben studiati di materiali inanimati, i ricercatori sono stati in grado di adattare modelli matematici standard per riflettere la crescita batterica. Ha affermato che la ricerca futura si concentrerà probabilmente sulla migliore comprensione dei meccanismi alla base della crescita, sulle implicazioni delle forme di crescita grezze per il funzionamento delle colonie e sull’applicazione di queste lezioni ad altre aree di interesse».
“In definitiva, questo lavoro ci fornisce più strumenti per comprendere, ed eventualmente controllare, come i batteri crescono in natura”.
Riferimento della Gazzetta:
- Alejandro Martínez-Calvo, Instabilità morfologica e irruvidimento delle colonie batteriche 3D in crescita. Atti della National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
