Hvordan får voksende bakteriekolonier formene sine? Mens kolonimorfogenese er godt studert i to dimensjoner, vokser mange bakterier som store kolonier i tredimensjonale (3D) miljøer. Imidlertid er lite kjent om kolonimorfologiene til bakterier som vokser i tre dimensjoner.
Nå, a Princeton teamet har oppfunnet en måte å observere bakterier i 3D-miljøer. De oppdaget at når bakteriene formerer seg, tar koloniene deres konsekvent grove former som er betydelig mer intrikate enn de som vanligvis observeres i flate retter. Disse formene ligner et forgrenet hode av brokkoli.
Sujit Datta, en assisterende professor i kjemisk og biologisk ingeniørvitenskap ved Princeton og studiens seniorforfatter, sa: "Helt siden bakterier ble oppdaget for over 300 år siden, har det meste av laboratorieforskning studert dem i reagensrør eller på petriskåler. Hvis du prøver å se bakterier vokser i vev eller jord, de er ugjennomsiktige, og du kan ikke se hva kolonien gjør. Det har vært utfordringen."
Dattas forskerteam avdekket denne oppførselen ved å bruke et banebrytende eksperimentelt oppsett som tillot dem å gjøre enestående observasjoner av bakteriekolonier i deres naturlige, tredimensjonale tilstand. Uventet oppdaget forskerne at veksten til de ville koloniene hele tiden lignet dannelse av krystaller eller spredning av frost på en vindusrute. Disse grove, forgrenede strukturene er vanlige i hele naturen, men de sees vanligvis i sammenheng med ekspanderende eller konvergerende ikke-levende systemer.
Datta sa, "Vi fant at bakteriekolonier vokser i 3D viser en veldig lik prosess til tross for at disse er kollektiver av levende organismer."
Datta sa, "På et grunnleggende nivå er vi glade for at dette arbeidet avslører overraskende sammenhenger mellom utviklingen av form og funksjon i biologiske systemer og studier av livløse vekstprosesser i materialvitenskap og statistisk fysikk. Men vi tror også at dette nye synet på når og hvor celler vokser i 3-D vil interessere alle som er interessert i bakterievekst, for eksempel i miljømessige, industrielle og biomedisinske applikasjoner."
Forskergruppen til Datta har i flere år jobbet med et system for å studere hendelser som typisk er skjult i obskure omgivelser, inkludert væske som strømmer gjennom jord. Teamet støtter bakterievekst i 3-D ved å bruke spesialkonstruerte hydrogeler og vannabsorberende polymerer som ligner på jello og kontaktlinser. I motsetning til de vanlige versjonene av hydrogeler, består Dattas materialer av små kuler av hydrogel som lett deformeres av bakteriene, noe som tillater fri passasje av oksygen, og næringsstoffer som støtter bakterievekst er gjennomsiktige for lys.
Datta sa, «Det er som en ballgrop der hver ball er en individuell hydrogel. De er mikroskopiske, så du kan ikke se dem. Forskerteamet kalibrerte hydrogelens sminke for å etterligne strukturen til jord eller vev. Hydrogelen er sterk nok til å støtte den voksende bakteriekolonien uten å presentere nok motstand til å begrense veksten."
«Når bakteriekoloniene vokser i hydrogelmatrisen, kan de enkelt omorganisere ballene rundt dem, slik at de ikke blir fanget. Det er som å kaste armen ned i ballgropen. Hvis du drar den gjennom, omorganiserer ballene rundt armen din.»
For å studere hvordan bakterier vokser i tre dimensjoner, utførte forskerne forsøk med fire forskjellige typer bakterier, inkludert en som bidrar til den sure smaken av kombucha.
Datta sa, "Vi endret celletyper, næringsforhold og hydrogelegenskaper. Vi endret systematisk alle disse parameterne, men dette ser ut til å være et generisk fenomen.»
"To faktorer så ut til å forårsake den brokkoliformede veksten på en kolonis overflate. For det første vil bakterier med tilgang til høye nivåer av næringsstoffer eller oksygen vokse og formere seg raskere enn i et mindre rikelig miljø. Selv de mest ensartede miljøene har en ujevn tetthet av næringsstoffer, og disse variasjonene fører til at flekker i koloniens overflate stiger frem eller faller bak. Gjentatt i tre dimensjoner fører dette til at bakteriekolonien danner støt og knuter ettersom noen undergrupper av bakterier vokser raskere enn naboene.»
"For det andre observerte forskerne at bare bakteriene nær koloniens overflate vokste og delte seg i tredimensjonal vekst. Bakteriene som var stappet inn i koloniens sentrum så ut til å forfalle til en sovende tilstand. Fordi bakteriene inne ikke vokste og delte seg, ble den ytre overflaten ikke utsatt for trykk som ville få den til å utvide seg jevnt. I stedet er ekspansjonen først og fremst drevet av vekst langs kanten av kolonien. Og veksten langs kanten er gjenstand for næringsvariasjoner som til slutt resulterer i humpete, ujevn vekst."
Alejandro Martinez-Calvo, en postdoktor ved Princeton og avisens første forfatter, sa: «Hvis veksten var jevn, og det ikke var noen forskjell mellom bakteriene inne i kolonien og de i periferien, ville det vært som å fylle en ballong. Trykket fra innsiden ville fylle ut eventuelle forstyrrelser i periferien.»
For å forklare hvorfor dette trykket ikke var tilstede, la forskerne en fluorescerende merkelapp til proteiner som blir aktive i cellene når bakteriene vokser. Det fluorescerende proteinet lyser opp når bakterier er aktive og forblir mørkt når de ikke er det. Når de observerte koloniene, så forskerne at bakterier på koloniens kant var lysegrønne, mens kjernen forble mørk.
Datta sa, "Kolonien organiserer seg i hovedsak i en kjerne og et skall som oppfører seg på veldig forskjellige måter."
"Teorien er at bakteriene på koloniens kanter øser opp mesteparten av næringsstoffene og oksygen, og etterlater lite til de indre bakteriene."
"Vi tror de går i dvale fordi de er sultne, selv om han advarte om at ytterligere forskning var nødvendig for å utforske dette."
"Eksperimentene og de matematiske modellene som ble brukt av forskerne fant en øvre grense for ujevnhetene som dannet seg på kolonioverflatene. Den humpete overflaten skyldes tilfeldige variasjoner i oksygen og næringsstoffer i miljøet, men tilfeldigheten har en tendens til å jevne seg ut i visse grenser.»
"Ruheten har en øvre grense for hvor stor den kan vokse - buketten hvis vi sammenligner den med brokkoli. Vi var i stand til å forutsi det fra matematikken, og det ser ut til å være et uunngåelig trekk ved store kolonier som vokser i 3D.»
"Fordi bakterieveksten hadde en tendens til å følge et lignende mønster som krystallvekst og andre godt studerte fenomener av livløse materialer, var forskerne i stand til å tilpasse standard matematiske modeller for å gjenspeile bakterieveksten. Han sa at fremtidig forskning sannsynligvis vil fokusere på bedre forståelse av mekanismene bak veksten, implikasjonene av grove vekstformer for kolonifunksjon, og å bruke disse lærdommene på andre områder av interesse.
"Til syvende og sist gir dette arbeidet oss flere verktøy for å forstå, og til slutt kontrollere, hvordan bakterier vokser i naturen."
Tidsreferanse:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfologisk ustabilitet og rugjøring av voksende 3D-bakteriekolonier. Proceedings of National Academy of Sciences. GJØR JEG: 10.1073 / pnas.2208019119
