増殖中のバクテリアのコロニーはどのように形を成すのですか? コロニーの形態形成は 3 次元でよく研究されていますが、多くの細菌は XNUMX 次元 (XNUMXD) 環境で大きなコロニーとして成長します。 しかし、三次元的に増殖する細菌のコロニー形態についてはほとんど知られていません。
今、 プリンストン チームは、3D 環境で細菌を観察する方法を発明しました。 彼らは、バクテリアが増殖するにつれて、コロニーが一貫して平らな皿で一般的に観察されるものよりもはるかに複雑な大まかな形状をとることを発見しました. これらの形は、ブロッコリーの枝分かれした頭に似ています。
プリンストン大学の化学および生物工学の助教授であり、この研究の上級著者である Sujit Datta 氏は、次のように述べています。 「300年以上前にバクテリアが発見されて以来、ほとんどのラボ研究は試験管またはペトリ皿でバクテリアを研究してきました. 観ようとしたら バクテリアが繁殖する 組織や土壌では、それらは不透明で、コロニーが何をしているかを見ることができません. それが課題でした。」
Datta の研究チームは、画期的な実験装置を使用してこの動作を明らかにしました。これにより、細菌のコロニーが自然な XNUMX 次元状態で前例のない観察を行うことができました。 意外なことに、科学者たちは、野生のコロニーの成長が常に 結晶の形成 または窓ガラスの霜の広がり。 これらの荒く枝分かれした構造は、自然界全体に共通していますが、通常、非生物系の拡大または収束という文脈で見られます。
ダッタは言った、 「3D で増殖する細菌コロニーは、生物の集合体であるという事実にもかかわらず、非常によく似たプロセスを示すことがわかりました。」
ダッタは言った、 「基本的なレベルでは、この研究が生物学的システムにおける形態と機能の発達と、材料科学と統計物理学における無生物の成長過程の研究との間の驚くべきつながりを明らかにすることに興奮しています。 しかしまた、細胞がいつ、どこで 3D で増殖しているかについてのこの新しい見方は、環境、産業、生物医学への応用など、細菌の増殖に関心のある人にとって興味深いものになると思います。」
数年間、Datta の研究グループは、土壌を流れる流体など、一般的に不明瞭な環境に隠されている事象を研究するためのシステムに取り組んできました。 チームは、特別に設計されたハイドロゲルとゼリーに似た吸水性ポリマーを使用して、3D で細菌の増殖をサポートします。 コンタクトレンズを. ハイドロゲルの一般的なバージョンとは異なり、Datta の材料は、細菌によって容易に変形されるハイドロゲルの小さなボールで構成されており、酸素の自由な通過を可能にし、細菌の増殖をサポートする栄養素は光に対して透明です。
ダッタは言った、 「これは、各ボールが個別のハイドロゲルであるボール ピットのようなものです。 微視的ですので、肉眼で見ることはできません。 研究チームは、土壌または組織の構造を模倣するようにハイドロゲルの構成を調整しました。 ハイドロゲルは、成長を制限するのに十分な抵抗を示すことなく、成長する細菌コロニーをサポートするのに十分な強度があります。」
「バクテリアのコロニーがハイドロゲル マトリックス内で成長すると、その周りのボールを簡単に再配置できるため、トラップされません。 ボールピットに腕を突っ込むようなものです。 ドラッグすると、ボールが腕の周りに再配置されます。」
細菌がどのように三次元的に成長するかを研究するために、研究者はコンブチャの酸味に寄与するものを含むXNUMXつの異なるタイプの細菌で試験を実施しました.
ダッタは言った、 「細胞の種類、栄養状態、ハイドロゲルの特性を変更しました。 これらすべてのパラメーターを体系的に変更しましたが、これは一般的な現象のようです。」
「コロニーの表面でブロッコリーの形をした成長には、XNUMX つの要因が考えられます。 第一に、高レベルの栄養素や酸素にアクセスできるバクテリアは、豊富でない環境よりも速く成長し、繁殖します. 最も均一な環境でさえ、栄養素の密度が不均一であり、これらの変動により、コロニーの表面のスポットが急増したり、遅れたりします. これが XNUMX 次元で繰り返されると、バクテリアの一部のサブグループが隣接するバクテリアよりも速く増殖するため、バクテリアのコロニーが隆起や結節を形成します。」
「第二に、研究者は、コロニーの表面に近いバクテリアだけが成長し、三次元的に分裂することを観察しました。 コロニーの中心に詰め込まれたバクテリアは、休眠状態に陥ったようです。 内部のバクテリアは成長したり分裂したりしていないため、外面は均一に膨張する圧力を受けませんでした. 代わりに、その拡大は主にコロニーの端に沿った成長によって促進されます。 そして、端に沿った成長は、最終的にでこぼこした不均一な成長につながる栄養素の変動の影響を受けます。」
プリンストン大学のポスドク研究員であり、論文の筆頭著者である Alejandro Martinez-Calvo 氏は、次のように述べています。 「増殖が均一で、コロニー内の細菌と周囲の細菌に違いがなければ、風船を膨らませるようなものです。 内側からの圧力が周囲の摂動を埋めます。」
この圧力が存在しなかった理由を説明するために、研究者は、細菌が増殖すると細胞内で活性化するタンパク質に蛍光タグを追加しました。 蛍光タンパク質は、細菌が活動しているときに点灯し、活動していないときは暗いままです。 コロニーを観察すると、研究者はコロニーの端にある細菌が明るい緑色であるのに対し、コアは暗いままであることに気付きました。
ダッタ と, 「コロニーは本質的に、非常に異なる方法で動作するコアとシェルに自己組織化します。」
「理論は、コロニーの端にいるバクテリアがほとんどの栄養素と酸素をすくい上げ、内部のバクテリアにはほとんど残らないというものです。」
「我々は彼らが飢えているために休眠していると考えていますが、彼はこれを調査するためにさらなる研究が必要であると警告しました.」
「研究者が使用した実験と数学的モデルにより、コロニーの表面に形成される隆起の上限が見つかりました。 でこぼこした表面は、 酸素 と環境中の栄養素ですが、ランダム性は特定の制限で均一になる傾向があります。」
「粗さには、成長できる大きさの上限があります。ブロッコリーと比較すると、小花の大きさです。 数学からそれを予測することができました.3Dで成長する大きなコロニーの必然的な特徴のようです.
「バクテリアの増殖は、結晶の成長やその他のよく研究された無生物の現象と同様のパターンに従う傾向があるため、研究者は標準的な数学的モデルをバクテリアの増殖を反映するように適応させることができました. 彼は、今後の研究は、成長の背後にあるメカニズム、大まかな成長形状がコロニー機能に与える影響をよりよく理解し、これらの教訓を他の関心分野に適用することに焦点を当てる可能性が高いと述べた.
「最終的に、この研究は、細菌が自然界でどのように増殖するかを理解し、最終的に制御するためのより多くのツールを提供してくれます。」
ジャーナルリファレンス：
- Alejandro Martínez-Calvo、増殖中の 3D 細菌コロニーの形態学的不安定性と粗面化。 米国科学アカデミー紀要。 DOI： 10.1073 / pnas.2208019119
