Hoe krijgen groeiende bacteriekolonies hun vorm? Hoewel de koloniemorfogenese goed in twee dimensies is bestudeerd, groeien veel bacteriën als grote kolonies in driedimensionale (3D) omgevingen. Er is echter weinig bekend over de koloniemorfologieën van bacteriën die in drie dimensies groeien.
Nu, a Princeton team heeft een manier bedacht om bacteriën in 3D-omgevingen te observeren. Ze ontdekten dat naarmate de bacteriën zich vermenigvuldigen, hun kolonies consequent ruwe vormen aannemen die aanzienlijk ingewikkelder zijn dan die doorgaans worden waargenomen in platte gerechten. Deze vormen lijken op een vertakte broccolikop.
Sujit Datta, assistent-professor chemische en biologische technologie aan Princeton en senior auteur van de studie, zei: “Sinds bacteriën ruim 300 jaar geleden werden ontdekt, heeft het meeste laboratoriumonderzoek ze in reageerbuizen of op petrischalen bestudeerd. Als je probeert te kijken bacteriën groeien in weefsels of bodems zijn die ondoorzichtig en kun je niet zien wat de kolonie doet. Dat is de uitdaging geweest.”
Het onderzoeksteam van Datta heeft dit gedrag ontdekt met behulp van een baanbrekende experimentele opstelling waarmee ze ongekende observaties konden maken van bacteriekolonies in hun natuurlijke, driedimensionale staat. Onverwachts ontdekten de wetenschappers dat de groei van de wilde kolonies voortdurend leek op de vorming van kristallen of de verspreiding van vorst op een ruit. Deze ruwe, vertakte structuren komen overal in de natuur voor, maar worden meestal gezien in de context van zich uitbreidende of convergerende niet-levende systemen.
Datta zei: "We ontdekten dat het groeien in 3D-bacteriekolonies een zeer vergelijkbaar proces vertoont, ondanks het feit dat dit collectieven van levende organismen zijn."
Datta zei: “Op een fundamenteel niveau zijn we blij dat dit werk verrassende verbanden blootlegt tussen de ontwikkeling van vorm en functie in biologische systemen en onderzoek naar levenloze groeiprocessen in de materiaalkunde en de statistische natuurkunde. Maar we denken ook dat deze nieuwe kijk op wanneer en waar cellen in 3D groeien iedereen zal interesseren die geïnteresseerd is in bacteriële groei, zoals in milieu-, industriële en biomedische toepassingen.”
De onderzoeksgroep van Datta werkt al jaren aan een systeem om gebeurtenissen te bestuderen die doorgaans verborgen zijn in obscure omgevingen, waaronder vloeistoffen die door de bodem stromen. Het team ondersteunt de groei van bacteriën in 3D door speciaal ontwikkelde hydrogels en waterabsorberende polymeren te gebruiken, vergelijkbaar met jello en contactlenzen. In tegenstelling tot de gebruikelijke versies van hydrogels bestaan de materialen van Datta uit kleine bolletjes hydrogel die gemakkelijk door de bacteriën kunnen worden vervormd, waardoor zuurstof vrij kan passeren, en voedingsstoffen die de groei van bacteriën ondersteunen, zijn transparant voor licht.
Datta zei: “Het is net een ballenbak waarbij elke bal een individuele hydrogel is. Ze zijn microscopisch klein, dus je kunt ze niet zien. Het onderzoeksteam heeft de samenstelling van de hydrogel gekalibreerd om de structuur van grond of weefsel na te bootsen. De hydrogel is sterk genoeg om de groeiende bacteriekolonie te ondersteunen zonder voldoende weerstand te bieden om de groei te beperken.”
“Terwijl de bacteriekolonies in de hydrogelmatrix groeien, kunnen ze de ballen eromheen gemakkelijk herschikken, zodat ze niet vast komen te zitten. Het is alsof je je arm in de ballenbak steekt. Als je hem erdoorheen sleept, herschikken de ballen zich rond je arm.
Om te bestuderen hoe bacteriën in drie dimensies groeien, voerden de onderzoekers proeven uit met vier verschillende soorten bacteriën, waaronder één die bijdraagt aan de zure smaak van kombucha.
Datta zei: “We hebben de celtypen, voedingsomstandigheden en hydrogeleigenschappen veranderd. Al die parameters hebben we systematisch veranderd, maar dit blijkt een generiek fenomeen te zijn.”
“Twee factoren leken de broccoli-vormige groei op het oppervlak van een kolonie te veroorzaken. Ten eerste zullen bacteriën met toegang tot hoge niveaus aan voedingsstoffen of zuurstof sneller groeien en zich voortplanten dan in een minder overvloedige omgeving. Zelfs de meest uniforme omgevingen hebben een ongelijkmatige dichtheid van voedingsstoffen, en deze variaties zorgen ervoor dat plekken in het oppervlak van de kolonie vooruit of achteruit gaan. Herhaald in drie dimensies zorgt dit ervoor dat de bacteriekolonie bultjes en knobbeltjes vormt, omdat sommige subgroepen van bacteriën sneller groeien dan hun buren.’
“Ten tweede merkten de onderzoekers op dat alleen de bacteriën dicht bij het oppervlak van de kolonie groeiden en verdeelden in driedimensionale groei. De bacteriën die zich in het centrum van de kolonie bevonden, leken in een slapende toestand te vervallen. Omdat de bacteriën binnenin niet groeiden en zich verdeelden, werd het buitenoppervlak niet onderworpen aan druk waardoor het gelijkmatig zou uitzetten. In plaats daarvan wordt de expansie ervan voornamelijk gedreven door groei langs de uiterste rand van de kolonie. En de groei langs de rand is onderhevig aan variaties in voedingsstoffen die uiteindelijk resulteren in hobbelige, ongelijkmatige groei.”
Alejandro Martinez-Calvo, een postdoctoraal onderzoeker aan Princeton en de eerste auteur van het artikel, zei: “Als de groei uniform was en er geen verschil was tussen de bacteriën in de kolonie en die aan de rand, zou het hetzelfde zijn als het vullen van een ballon. De druk van binnenuit zou eventuele verstoringen in de periferie opvullen.”
Om te verklaren waarom deze druk niet aanwezig was, voegden de onderzoekers een fluorescerend label toe aan eiwitten die in cellen actief worden als de bacteriën groeien. Het fluorescerende eiwit licht op als bacteriën actief zijn en blijft donker als ze dat niet zijn. Bij het observeren van de kolonies zagen de onderzoekers dat de bacteriën aan de rand van de kolonie heldergroen waren, terwijl de kern donker bleef.
datta zei, “De kolonie organiseert zichzelf in wezen in een kern en een schil die zich op heel verschillende manieren gedragen.”
“De theorie is dat de bacteriën aan de randen van de kolonie de meeste voedingsstoffen en zuurstof opscheppen, waardoor er weinig overblijft voor de bacteriën binnenin.”
“We denken dat ze inactief zijn omdat ze uitgehongerd zijn, hoewel hij waarschuwde dat verder onderzoek nodig was om dit te onderzoeken.”
“De experimenten en wiskundige modellen die de onderzoekers gebruikten, vonden een bovengrens voor de hobbels die zich op de kolonieoppervlakken vormden. Het hobbelige oppervlak is het gevolg van willekeurige variaties in de ondergrond zuurstof en voedingsstoffen in het milieu, maar de willekeur neigt binnen bepaalde grenzen te egaliseren.”
“De ruwheid heeft een bovengrens voor hoe groot het kan worden: de bloemgrootte als we het vergelijken met broccoli. We konden dat op basis van de wiskunde voorspellen, en het lijkt een onvermijdelijk kenmerk van grote kolonies die in 3D groeien.”
“Omdat de bacteriegroei de neiging had een soortgelijk patroon te volgen als kristalgroei en andere goed bestudeerde verschijnselen van levenloze materialen, waren de onderzoekers in staat standaard wiskundige modellen aan te passen om de bacteriegroei weer te geven. Hij zei dat toekomstig onderzoek zich waarschijnlijk zal richten op een beter begrip van de mechanismen achter de groei, de implicaties van ruwe groeivormen voor het functioneren van de kolonie, en het toepassen van deze lessen op andere interessegebieden.
"Uiteindelijk geeft dit werk ons meer hulpmiddelen om te begrijpen en uiteindelijk te controleren hoe bacteriën in de natuur groeien."
Journal Reference:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfologische instabiliteit en opruwing van groeiende 3D-bacteriekolonies. Proceedings van de National Academy of Sciences DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
