성장하는 박테리아 식민지는 어떻게 모양을 얻습니까? 콜로니 형태 형성은 3차원에서 잘 연구되지만 많은 박테리아는 XNUMX차원(XNUMXD) 환경에서 큰 콜로니로 자랍니다. 그러나 XNUMX차원으로 자라는 박테리아의 콜로니 형태에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.
자, 프린스턴 팀은 3차원 환경에서 박테리아를 관찰하는 방법을 발명했습니다. 그들은 박테리아가 번식함에 따라 그들의 식민지가 평평한 접시에서 일반적으로 관찰되는 것보다 훨씬 더 복잡한 거친 모양을 일관되게 취한다는 것을 발견했습니다. 이 모양은 브로콜리의 가지를 치는 머리와 비슷합니다.
프린스턴 대학의 화학 및 생물 공학 조교수이자 이 연구의 수석 저자인 Sujit Datta는 다음과 같이 말했습니다. “박테리아가 300여 년 전에 발견된 이래로 대부분의 실험실 연구는 시험관이나 페트리 접시에서 박테리아를 연구했습니다. 시청하려고 하면 박테리아가 자라다 조직이나 토양에서 그것들은 불투명하고 식민지가 무엇을 하는지 볼 수 없습니다. 그것이 도전이었습니다.”
Datta의 연구팀은 자연적인 XNUMX차원 상태에서 박테리아 군체를 전례 없이 관찰할 수 있는 획기적인 실험 설정을 사용하여 이 행동을 발견했습니다. 예기치 않게 과학자들은 야생 식민지의 성장이 결정의 형성 또는 유리창에 서리가 퍼집니다. 이러한 거칠고 가지 모양의 구조는 자연 전반에 걸쳐 일반적이지만 일반적으로 무생물 시스템을 확장하거나 수렴하는 맥락에서 볼 수 있습니다.
다타가 말했다. "우리는 3차원으로 자라는 박테리아 군집이 살아있는 유기체의 집합체라는 사실에도 불구하고 매우 유사한 과정을 보인다는 것을 발견했습니다."
다타가 말했다. “근본적인 수준에서, 우리는 이 연구가 생물학적 시스템의 형태와 기능의 발달과 재료 과학 및 통계 물리학의 무생물 성장 과정 연구 사이의 놀라운 연관성을 드러낸다는 사실을 기쁘게 생각합니다. 그러나 또한 우리는 세포가 3차원으로 성장하는 시기와 위치에 대한 이 새로운 관점이 환경, 산업 및 생물의학 분야와 같이 박테리아 성장에 관심이 있는 모든 사람에게 흥미를 줄 것이라고 생각합니다.”
몇 년 동안 Datta의 연구 그룹은 토양을 통해 흐르는 유체를 포함하여 일반적으로 불분명한 환경에 숨겨진 사건을 연구하는 시스템을 연구해 왔습니다. 연구팀은 젤로와 유사하게 특별히 설계된 하이드로겔과 흡수성 폴리머를 사용하여 3D로 박테리아 성장을 지원합니다. 렌즈로 문의. 일반적인 버전의 하이드로겔과 달리 Datta의 재료는 박테리아에 의해 쉽게 변형되는 작은 하이드로겔 공으로 구성되어 있어 산소가 자유롭게 통과할 수 있으며 박테리아 성장을 지원하는 영양소는 빛에 투명합니다.
다타가 말했다. “각 공이 개별 하이드로겔인 공 구덩이와 같습니다. 그것들은 미시적이므로 볼 수 없습니다. 연구팀은 토양이나 조직의 구조를 모방하도록 하이드로겔의 구성을 보정했다. 하이드로겔은 성장을 억제하기에 충분한 저항을 나타내지 않으면서 성장하는 박테리아 콜로니를 지지할 만큼 충분히 강력합니다."
"박테리아 콜로니가 하이드로겔 매트릭스에서 성장함에 따라 주변에 공을 쉽게 재배열할 수 있으므로 갇히지 않습니다. 볼 구덩이에 팔을 집어넣는 것과 같습니다. 드래그하면 볼이 팔 주위로 재배열됩니다.”
박테리아가 XNUMX차원적으로 자라는 방법을 연구하기 위해 연구자들은 콤부차의 신맛에 기여하는 박테리아를 포함하여 XNUMX가지 유형의 박테리아에 대한 실험을 수행했습니다.
다타가 말했다. “우리는 세포 유형, 영양 조건 및 하이드로겔 특성을 변경했습니다. 우리는 그 모든 매개변수를 체계적으로 변경했지만 이것은 일반적인 현상으로 보입니다.”
“두 가지 요인이 식민지 표면에 브로콜리 모양의 성장을 일으키는 것으로 보입니다. 첫째, 높은 수준의 영양소나 산소에 접근할 수 있는 박테리아는 덜 풍부한 환경에서보다 빠르게 성장하고 번식합니다. 가장 균일한 환경에서도 영양소 밀도가 일정하지 않으며 이러한 변화로 인해 식민지 표면의 반점이 급증하거나 뒤로 밀려납니다. XNUMX차원에서 반복되면 박테리아의 일부 하위 그룹이 이웃보다 더 빠르게 성장함에 따라 박테리아 식민지가 융기 및 결절을 형성하게 됩니다.”
“둘째, 연구원들은 군체 표면에 가까운 박테리아만이 성장하고 XNUMX차원적 성장으로 분열되는 것을 관찰했습니다. 콜로니 중심부에 빽빽이 들어찬 박테리아는 휴면 상태에 빠진 것 같았다. 내부의 박테리아가 성장하고 분열하지 않았기 때문에 외부 표면은 균일하게 팽창할 수 있는 압력을 받지 않았습니다. 대신, 그 확장은 주로 식민지의 가장 가장자리를 따라 성장하는 것에 의해 주도됩니다. 그리고 가장자리를 따라 자라는 것은 영양분의 변화에 따라 결국 울퉁불퉁하고 고르지 못한 성장을 초래합니다.”
프린스턴 대학의 박사후 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Alejandro Martinez-Calvo는 다음과 같이 말했습니다. “성장이 균일하고 식민지 내부의 박테리아와 주변의 박테리아 사이에 차이가 없다면 풍선을 채우는 것과 같을 것입니다. 내부의 압력이 주변부의 모든 섭동을 채울 것입니다.”
이러한 압력이 존재하지 않는 이유를 설명하기 위해 연구원들은 박테리아가 성장할 때 세포에서 활성화되는 단백질에 형광 태그를 추가했습니다. 형광 단백질은 박테리아가 활동할 때 빛을 발하고 박테리아가 활동하지 않을 때 어둡게 유지됩니다. 콜로니를 관찰한 결과, 연구원들은 콜로니의 가장자리에 있는 박테리아가 밝은 녹색을 띠는 반면 코어는 어둡게 유지되는 것을 확인했습니다.
다타 말했다, "콜로니는 본질적으로 매우 다른 방식으로 행동하는 코어와 쉘로 자체 구성됩니다."
"이론은 식민지 가장자리에 있는 박테리아가 대부분의 영양분과 산소를 퍼내고 내부 박테리아는 거의 남기지 않는다는 것입니다."
“우리는 그들이 굶주림으로 인해 휴면 상태에 있다고 생각하지만, 이에 대해 조사하기 위해서는 추가 연구가 필요하다고 경고했습니다.”
“연구원들이 사용한 실험과 수학적 모델은 식민지 표면에 형성된 범프의 상한선을 발견했습니다. 울퉁불퉁한 표면은 산소 환경에 있는 영양소와 그 무작위성은 특정 한계에서 고르게 펴지는 경향이 있습니다."
“거칠기는 자랄 수 있는 크기의 상한선이 있습니다. 브로콜리와 비교하면 작은 꽃 크기입니다. 우리는 수학에서 그것을 예측할 수 있었고, 그것은 3차원으로 성장하는 큰 식민지의 불가피한 특징인 것 같습니다.”
"박테리아 성장은 결정 성장 및 무생물 물질의 다른 잘 연구된 현상과 유사한 패턴을 따르는 경향이 있기 때문에 연구원들은 박테리아 성장을 반영하기 위해 표준 수학적 모델을 적용할 수 있었습니다. 그는 향후 연구는 성장 이면의 메커니즘, 식민지 기능에 대한 거친 성장 형태의 의미, 이러한 교훈을 다른 관심 분야에 적용하는 데 더 집중할 것이라고 말했습니다.”
"궁극적으로, 이 연구는 우리에게 박테리아가 자연에서 어떻게 자라는지 이해하고 궁극적으로 제어할 수 있는 더 많은 도구를 제공합니다."
저널 참조 :
- Alejandro Martínez-Calvo, 형태학적 불안정성 및 성장하는 3D 박테리아 콜로니의 거칠어짐. 과학 국립 아카데미의 절차. DOI : 10.1073 / pnas.2208019119
