איך מושבות חיידקים הגדלות מקבלות את צורותיהן? בעוד מורפוגנזה של המושבה נחקרת היטב בשני ממדים, חיידקים רבים גדלים כמושבות גדולות בסביבות תלת מימדיות (3D). עם זאת, מעט ידוע על מורפולוגיות המושבה של חיידקים הגדלים בתלת מימד.
עכשיו, א פרינסטון הצוות המציא דרך לצפות בחיידקים בסביבות תלת מימדיות. הם גילו שככל שהחיידקים מתרבים, המושבות שלהם לובשות באופן עקבי צורות גסות שהן מורכבות משמעותית מאלה הנצפות בדרך כלל בכלים שטוחים. צורות אלה דומות לראש מסועף של ברוקולי.
סוג'יט דאטה, עוזר פרופסור להנדסה כימית וביולוגית בפרינסטון והמחבר הבכיר של המחקר, אמר: "מאז שהתגלו חיידקים לפני למעלה מ-300 שנה, רוב מחקר המעבדה חקר אותם במבחנות או על צלחות פטרי. אם תנסה לצפות חיידקים גדלים ברקמות או קרקעות, אלה אטומים, ואתה לא יכול לראות מה המושבה עושה. זה היה האתגר".
צוות המחקר של דאטה חשף התנהגות זו באמצעות מערך ניסוי פורץ דרך שאפשר להם לבצע תצפיות חסרות תקדים על מושבות חיידקים במצבן הטבעי התלת מימדי. באופן בלתי צפוי, המדענים גילו שגידול מושבות הבר דומה כל הזמן ל היווצרות גבישים או התפשטות הכפור על שמשת החלון. מבנים מחוספסים ומסועפים אלו נפוצים בכל הטבע, אך הם נראים בדרך כלל בהקשר של התרחבות או התכנסות של מערכות לא-חיות.
דאטה אמר, "מצאנו שגדלים בתלת מימד, מושבות חיידקים מפגינות תהליך דומה מאוד למרות העובדה שמדובר בקולקטיבים של אורגניזמים חיים."
דאטה אמר, "ברמה הבסיסית, אנו נרגשים שהעבודה הזו חושפת קשרים מפתיעים בין התפתחות הצורה והתפקוד במערכות ביולוגיות ומחקרים של תהליכי גדילה דוממים במדעי החומרים ובפיסיקה סטטיסטית. אבל גם, אנחנו חושבים שהשקפה החדשה הזו של מתי והיכן גדלים תאים בתלת מימד תעניין את כל מי שמתעניין בגידול חיידקים, כמו ביישומים סביבתיים, תעשייתיים וביו-רפואיים."
במשך כמה שנים, קבוצת המחקר של דאטה עובדת על מערכת לחקור אירועים המוסתרים בדרך כלל בסביבות לא ברורות, כולל נוזלים הזורמים דרך קרקעות. הצוות תומך בגידול חיידקים בתלת מימד על ידי שימוש בהידרוג'לים מהונדסים במיוחד ופולימרים סופגי מים הדומים לג'לו ו עדשות מגע. בניגוד לאותן גרסאות נפוצות של הידרוג'לים, החומרים של דאטה מורכבים מכדורים זעירים של הידרוג'ל המעוותים בקלות על ידי החיידקים, ומאפשרים מעבר חופשי של חמצן, וחומרי הזנה התומכים בצמיחת חיידקים שקופים לאור.
דאטה אמר, "זה כמו בור כדורים שבו כל כדור הוא הידרוג'ל בודד. הם מיקרוסקופיים, אז אתה לא יכול לראות אותם. צוות המחקר כייל את האיפור של ההידרוג'ל כדי לחקות את מבנה האדמה או הרקמה. ההידרוג'ל חזק מספיק כדי לתמוך במושבת החיידקים הצומחת מבלי להציג מספיק עמידות כדי להגביל את הצמיחה."
"כאשר מושבות החיידקים גדלות במטריצת ההידרוג'ל, הן יכולות בקלות לסדר מחדש את הכדורים סביבן, כך שהם לא נלכדו. זה כמו לצלול את היד לתוך בור הכדורים. אם אתה גורר את זה, הכדורים מסתדרים מחדש סביב הזרוע שלך."
כדי לחקור כיצד חיידקים גדלים בתלת מימד, החוקרים ערכו ניסויים עם ארבעה סוגים שונים של חיידקים, כולל אחד שתורם לטעם החומצי של הקומבוצ'ה.
דאטה אמר, "שינינו סוגי תאים, תנאי תזונה ותכונות הידרוג'ל. שינינו באופן שיטתי את כל הפרמטרים האלה, אבל נראה שזו תופעה כללית".
"נראה היה ששני גורמים גרמו לצמיחה בצורת ברוקולי על פני המושבה. ראשית, חיידקים בעלי גישה לרמות גבוהות של חומרים מזינים או חמצן יגדלו ויתרבו מהר יותר מאשר בסביבה פחות שופעת. אפילו בסביבות האחידות ביותר יש צפיפות לא אחידה של חומרים מזינים, והווריאציות הללו גורמות לכתמים על פני המושבה לזנק קדימה או ליפול מאחור. זה חוזר על עצמו בתלת מימד, זה גורם למושבת החיידקים ליצור בליטות וגושים כאשר חלק מתתי קבוצות של חיידקים גדלים מהר יותר משכניהם".
"שנית, החוקרים הבחינו שרק החיידקים הקרובים לפני השטח של המושבה גדלו והתחלקו בגידול תלת מימדי. נראה היה שהחיידקים שנדחסו למרכז המושבה עברו למצב רדום. מכיוון שהחיידקים בפנים לא גדלו והתחלקו, המשטח החיצוני לא היה נתון ללחץ שיגרום לו להתרחב באופן שווה. במקום זאת, התרחבותו מונעת בעיקר על ידי צמיחה לאורך קצה המושבה. והצמיחה לאורך הקצה כפופה לווריאציות תזונתיות שבסופו של דבר גורמות לצמיחה גבשושית ולא אחידה."
אלחנדרו מרטינז-קלבו, חוקר פוסט-דוקטורט בפרינסטון והמחבר הראשון של העיתון, אמר: "אם הגידול היה אחיד, ולא היה הבדל בין החיידקים בתוך המושבה לאלו שבפריפריה, זה היה כמו למלא בלון. הלחץ מבפנים ימלא את כל ההפרעות בפריפריה".
כדי להסביר מדוע הלחץ הזה לא היה קיים, החוקרים הוסיפו תג פלואורסצנטי לחלבונים שהופכים פעילים בתאים כאשר החיידקים גדלים. החלבון הפלורסנטי נדלק כאשר חיידקים פעילים ונשאר כהה כאשר אינם. בהתבוננות במושבות, החוקרים ראו שחיידקים בקצה המושבה היו ירוקים עזים, בעוד הליבה נותרה כהה.
דאטה אמר, "המושבה בעצם מתארגנת בעצמה לגרעין ולקליפה שמתנהגים בדרכים שונות מאוד."
"התיאוריה היא שהחיידקים בקצוות המושבה אוספים את רוב חומרי המזון והחמצן, ומשאירים מעט לחיידקים הפנימיים."
"אנחנו חושבים שהם הולכים רדומים כי הם מורעבים, למרות שהוא הזהיר שיש צורך במחקר נוסף כדי לחקור את זה."
"הניסויים והמודלים המתמטיים שבהם השתמשו החוקרים מצאו גבול עליון לבליטות שנוצרו על משטחי המושבה. פני השטח המגבושים נובעים משינויים אקראיים ב- חמצן וחומרי הזנה בסביבה, אבל האקראיות נוטה להתאזן בגבולות מסוימים".
"לחספוס יש גבול עליון לגודלו - גודל הפרחח אם נשווה אותו לברוקולי. הצלחנו לחזות זאת מהמתמטיקה, ונראה שזו תכונה בלתי נמנעת של מושבות גדולות הגדלות בתלת מימד".
"מכיוון שגידול החיידקים נוטה לעקוב אחר דפוס דומה כמו צמיחת גבישים ותופעות אחרות שנחקרו היטב של חומרים דוממים, החוקרים הצליחו להתאים מודלים מתמטיים סטנדרטיים לשקף את צמיחת החיידקים. הוא אמר כי מחקר עתידי יתמקד ככל הנראה בהבנה טובה יותר של המנגנונים מאחורי הצמיחה, ההשלכות של צורות צמיחה גסות על תפקוד המושבה, ויישום לקחים אלה לתחומי עניין אחרים".
"בסופו של דבר, העבודה הזו נותנת לנו יותר כלים להבין, ובסופו של דבר לשלוט, כיצד חיידקים גדלים בטבע."
עיון ביומן:
- Alejandro Martínez-Calvo, חוסר יציבות מורפולוגית וחספוס של מושבות חיידקים תלת-ממדיות גדלות. PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים. DOI: X
