Jak rosnące kolonie bakterii przybierają swój kształt? Chociaż morfogeneza kolonii jest dobrze zbadana w dwóch wymiarach, wiele bakterii rozwija się jako duże kolonie w środowiskach trójwymiarowych (3D). Niewiele jednak wiadomo na temat morfologii kolonii bakterii rosnących w trzech wymiarach.
Teraz Princeton Zespół wynalazł sposób obserwowania bakterii w środowiskach 3D. Odkryli, że w miarę rozmnażania się bakterii ich kolonie konsekwentnie przybierają szorstkie kształty, które są znacznie bardziej skomplikowane niż te zwykle obserwowane w płaskich naczyniach. Kształty te przypominają rozgałęzione główki brokułów.
Sujit Datta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej w Princeton i starszy autor badania, powiedział: „Odkąd bakterie zostały odkryte ponad 300 lat temu, większość badań laboratoryjnych badała je w probówkach lub na szalkach Petriego. Jeśli spróbujesz oglądać bakterie rosną w tkankach lub glebach są one nieprzezroczyste i nie widać, co robi kolonia. To było wyzwanie”.
Zespół badawczy Datta odkrył to zachowanie za pomocą przełomowej konfiguracji eksperymentalnej, która pozwoliła im na bezprecedensowe obserwacje kolonii bakterii w ich naturalnym, trójwymiarowym stanie. Niespodziewanie naukowcy odkryli, że wzrost dzikich kolonii stale przypominał tworzenie kryształów lub rozprzestrzenianie się szronu na szybie. Te szorstkie, rozgałęzione struktury są powszechne w całej przyrodzie, ale zwykle są postrzegane w kontekście rozszerzających się lub zbiegających się systemów nieożywionych.
Datta powiedział: „Odkryliśmy, że rosnące w 3-D kolonie bakteryjne wykazują bardzo podobny proces, mimo że są to zbiorowiska żywych organizmów”.
Datta powiedział: „Na podstawowym poziomie jesteśmy podekscytowani, że ta praca ujawnia zaskakujące powiązania między rozwojem formy i funkcji w układach biologicznych a badaniami procesów wzrostu nieożywionego w materiałoznawstwie i fizyce statystycznej. Uważamy jednak, że ten nowy pogląd na to, kiedy i gdzie komórki rosną w 3D, zainteresuje każdego zainteresowanego rozwojem bakterii, na przykład w zastosowaniach środowiskowych, przemysłowych i biomedycznych”.
Od kilku lat grupa badawcza Datta pracuje nad systemem do badania zdarzeń zwykle ukrytych w niejasnych środowiskach, w tym płynów przepływających przez glebę. Zespół wspiera rozwój bakterii w 3D, używając specjalnie zaprojektowanych hydrożeli i polimerów absorbujących wodę podobnych do galaretki i soczewki kontaktowe. W przeciwieństwie do tych popularnych wersji hydrożeli, materiały Datty składają się z maleńkich kulek hydrożelu, które łatwo odkształcają się bakterie, umożliwiając swobodny przepływ tlenu, a składniki odżywcze, które wspierają wzrost bakterii, są przezroczyste dla światła.
Datta powiedział: „To jak basen z kulami, w którym każda kula jest indywidualnym hydrożelem. Są mikroskopijne, więc ich nie widać. Zespół badawczy skalibrował skład hydrożelu, aby naśladował strukturę gleby lub tkanki. Hydrożel jest wystarczająco silny, aby wspierać rosnącą kolonię bakteryjną, nie wykazując wystarczającej odporności, aby ograniczyć wzrost”.
„Kiedy kolonie bakteryjne rosną w matrycy hydrożelowej, mogą z łatwością zmieniać układ kulek wokół siebie, dzięki czemu nie są one uwięzione. To jak zanurzenie ręki w dołku z piłeczkami. Jeśli ją przeciągniesz, kulki ułożą się wokół twojego ramienia.
Aby zbadać, jak bakterie rosną w trzech wymiarach, naukowcy przeprowadzili próby z czterema różnymi typami bakterii, w tym z jedną, która przyczynia się do kwaśnego smaku kombuchy.
Datta powiedział: „Zmieniliśmy typy komórek, warunki odżywcze i właściwości hydrożelu. Systematycznie zmienialiśmy wszystkie te parametry, ale wydaje się, że jest to zjawisko ogólne”.
„Wydaje się, że dwa czynniki powodują wzrost w kształcie brokuła na powierzchni kolonii. Po pierwsze, bakterie mające dostęp do wysokich poziomów składników odżywczych lub tlenu będą rosły i rozmnażały się szybciej niż w mniej obfitym środowisku. Nawet najbardziej jednolite środowiska mają nierówną gęstość składników odżywczych, a te zmiany powodują, że plamy na powierzchni kolonii wysuwają się naprzód lub cofają się. Powtarzając się w trzech wymiarach, powoduje to, że kolonia bakteryjna tworzy guzki i guzki, ponieważ niektóre podgrupy bakterii rosną szybciej niż ich sąsiedzi”.
„Po drugie, naukowcy zaobserwowali, że tylko bakterie znajdujące się blisko powierzchni kolonii rosły i dzieliły się w trójwymiarowym wzroście. Bakterie stłoczone w centrum kolonii wydawały się przechodzić w stan uśpienia. Ponieważ bakterie wewnątrz nie rozwijały się i nie dzieliły, zewnętrzna powierzchnia nie była poddawana naciskowi, który powodowałby jej równomierne rozszerzanie. Zamiast tego jego ekspansja jest napędzana głównie przez wzrost na samym skraju kolonii. A wzrost wzdłuż krawędzi podlega zmianom składników odżywczych, które ostatecznie prowadzą do wyboistego, nierównomiernego wzrostu”.
Alejandro Martinez-Calvo, badacz z tytułem doktora w Princeton i pierwszy autor artykułu, powiedział: „Gdyby wzrost był jednolity i nie było różnicy między bakteriami w kolonii a bakteriami na obrzeżach, byłoby to jak napełnianie balonu. Nacisk od wewnątrz wypełniłby wszelkie perturbacje na peryferiach”.
Aby wyjaśnić, dlaczego to ciśnienie nie było obecne, naukowcy dodali znacznik fluorescencyjny do białek, które stają się aktywne w komórkach podczas wzrostu bakterii. Białko fluorescencyjne zapala się, gdy bakterie są aktywne i pozostaje ciemne, gdy nie są. Obserwując kolonie, naukowcy zauważyli, że bakterie na skraju kolonii były jasnozielone, podczas gdy rdzeń pozostał ciemny.
Data powiedziany, „Kolonia zasadniczo samoorganizuje się w rdzeń i skorupę, które zachowują się w bardzo różny sposób”.
„Teoria mówi, że bakterie na obrzeżach kolonii zbierają większość składników odżywczych i tlenu, pozostawiając niewiele dla bakterii wewnętrznych”.
„Uważamy, że są uśpione, ponieważ są głodne, chociaż ostrzegł, że potrzebne są dalsze badania, aby to zbadać”.
„Eksperymenty i modele matematyczne wykorzystywane przez naukowców wykazały górną granicę nierówności, które utworzyły się na powierzchni kolonii. Wyboista powierzchnia wynika z przypadkowych zmian tlen i składników odżywczych w środowisku, ale przypadkowość ma tendencję do wyrównywania się w pewnych granicach”.
„Chropowatość ma górną granicę tego, jak duży może urosnąć — rozmiar różyczka, jeśli porównamy go z brokułami. Udało nam się to przewidzieć na podstawie matematyki i wydaje się, że jest to nieunikniona cecha dużych kolonii rosnących w 3D”.
„Ponieważ wzrost bakterii miał tendencję do podążania podobnym wzorem, jak wzrost kryształów i inne dobrze zbadane zjawiska materiałów nieożywionych, naukowcy byli w stanie dostosować standardowe modele matematyczne, aby odzwierciedlić wzrost bakterii. Powiedział, że przyszłe badania prawdopodobnie skupią się na lepszym zrozumieniu mechanizmów wzrostu, implikacji nierównych kształtów wzrostu dla funkcjonowania kolonii i zastosowaniu tych lekcji do innych obszarów zainteresowania”.
„Ostatecznie ta praca daje nam więcej narzędzi do zrozumienia, a ostatecznie kontrolowania, jak bakterie rosną w naturze”.
Referencje czasopisma:
- Alejandro Martínez-Calvo, Niestabilność morfologiczna i chropowatość rosnących kolonii bakterii 3D. Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
