Como é que as colónias bacterianas em crescimento adquirem a sua forma? Embora a morfogênese das colônias seja bem estudada em duas dimensões, muitas bactérias crescem como grandes colônias em ambientes tridimensionais (3D). No entanto, pouco se sabe sobre as morfologias das colônias de bactérias que crescem em três dimensões.
Agora, uma Princeton equipe inventou uma maneira de observar bactérias em ambientes 3-D. Eles descobriram que, à medida que as bactérias se multiplicam, suas colônias assumem consistentemente formas ásperas que são significativamente mais complexas do que aquelas geralmente observadas em placas planas. Essas formas lembram uma cabeça ramificada de brócolis.
Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor sênior do estudo, disse: “Desde que as bactérias foram descobertas há mais de 300 anos, a maioria das pesquisas de laboratório as estudou em tubos de ensaio ou em placas de Petri. Se você tentar assistir bactérias crescem em tecidos ou solos, eles são opacos e você não consegue ver o que a colônia está fazendo. Esse tem sido o desafio.”
A equipe de pesquisa de Datta descobriu esse comportamento usando uma configuração experimental inovadora que lhes permitiu fazer observações sem precedentes de colônias bacterianas em seu estado natural e tridimensional. Inesperadamente, os cientistas descobriram que o crescimento das colónias selvagens se assemelhava constantemente ao formação de cristais ou a propagação de gelo em uma vidraça. Essas estruturas ásperas e ramificadas são comuns em toda a natureza, mas geralmente são vistas no contexto de sistemas não vivos em expansão ou convergência.
Datta disse: “Descobrimos que, crescendo em 3-D, as colônias bacterianas exibem um processo muito semelhante, apesar de serem coletivos de organismos vivos.”
Datta disse: “Em um nível fundamental, estamos entusiasmados com o fato de este trabalho revelar conexões surpreendentes entre o desenvolvimento da forma e da função em sistemas biológicos e os estudos de processos de crescimento inanimados na ciência dos materiais e na física estatística. Mas também acreditamos que esta nova visão de quando e onde as células estão crescendo em 3-D interessará a qualquer pessoa interessada no crescimento bacteriano, como em aplicações ambientais, industriais e biomédicas.”
Durante vários anos, o grupo de investigação de Datta tem trabalhado num sistema para estudar eventos normalmente escondidos em ambientes obscuros, incluindo fluidos que fluem através dos solos. A equipe apoia o crescimento bacteriano em 3-D usando hidrogéis especialmente projetados e polímeros absorventes de água semelhantes à gelatina e lentes de contato. Ao contrário das versões comuns de hidrogéis, os materiais de Datta são compostos de pequenas bolas de hidrogel facilmente deformadas pelas bactérias, permitindo a passagem livre do oxigênio, e os nutrientes que sustentam o crescimento bacteriano são transparentes à luz.
Datta disse: “É como uma piscina de bolinhas onde cada bola é um hidrogel individual. Eles são microscópicos, então você não pode vê-los. A equipe de pesquisa calibrou a composição do hidrogel para imitar a estrutura do solo ou tecido. O hidrogel é forte o suficiente para suportar o crescimento da colônia bacteriana sem apresentar resistência suficiente para restringir o crescimento.”
“À medida que as colônias de bactérias crescem na matriz do hidrogel, elas podem facilmente reorganizar as bolas ao seu redor, para que não fiquem presas. É como mergulhar o braço na piscina de bolinhas. Se você arrastá-lo, as bolas se reorganizarão em volta do seu braço.”
Para estudar como as bactérias crescem em três dimensões, os pesquisadores realizaram testes com quatro tipos distintos de bactérias, incluindo uma que contribui para o sabor ácido do kombuchá.
Datta disse: “Mudamos os tipos de células, as condições nutricionais e as propriedades do hidrogel. Alterámos sistematicamente todos esses parâmetros, mas este parece ser um fenómeno genérico.”
“Dois fatores pareciam causar o crescimento em forma de brócolis na superfície de uma colônia. Primeiro, as bactérias com acesso a elevados níveis de nutrientes ou oxigénio crescerão e reproduzir-se-ão mais rapidamente do que num ambiente menos abundante. Mesmo os ambientes mais uniformes têm alguma densidade irregular de nutrientes, e estas variações fazem com que manchas na superfície da colónia avancem ou fiquem para trás. Repetido em três dimensões, isso faz com que a colônia bacteriana forme protuberâncias e nódulos, à medida que alguns subgrupos de bactérias crescem mais rapidamente do que seus vizinhos.”
“Em segundo lugar, os investigadores observaram que apenas as bactérias próximas da superfície da colónia cresceram e dividiram-se num crescimento tridimensional. As bactérias amontoadas no centro da colónia pareciam entrar num estado dormente. Como as bactérias internas não estavam crescendo e se dividindo, a superfície externa não foi submetida a pressões que pudessem fazer com que ela se expandisse uniformemente. Em vez disso, a sua expansão é impulsionada principalmente pelo crescimento ao longo da periferia da colónia. E o crescimento ao longo da borda está sujeito a variações de nutrientes que eventualmente resultam em um crescimento acidentado e desigual.”
Alejandro Martinez-Calvo, pesquisador de pós-doutorado em Princeton e primeiro autor do artigo, disse: “Se o crescimento fosse uniforme e não houvesse diferença entre as bactérias dentro da colônia e as da periferia, seria como encher um balão. A pressão interna preencheria quaisquer perturbações na periferia.”
Para explicar por que esta pressão não estava presente, os investigadores adicionaram uma etiqueta fluorescente às proteínas que se tornam ativas nas células quando as bactérias crescem. A proteína fluorescente acende quando as bactérias estão ativas e permanece escura quando não estão. Observando as colônias, os pesquisadores observaram que as bactérias nas bordas das colônias eram verdes brilhantes, enquanto o núcleo permanecia escuro.
Dados dito, “A colónia essencialmente auto-organiza-se num núcleo e numa concha que se comportam de formas muito diferentes.”
“A teoria é que as bactérias nas bordas da colônia absorvem a maior parte dos nutrientes e do oxigênio, deixando pouco para as bactérias internas.”
“Achamos que eles estão adormecidos porque estão famintos, embora ele tenha alertado que são necessárias mais pesquisas para explorar isso”.
“Os experimentos e modelos matemáticos utilizados pelos pesquisadores encontraram um limite superior para as saliências que se formaram nas superfícies das colônias. A superfície acidentada resulta de variações aleatórias na oxigênio e nutrientes no meio ambiente, mas a aleatoriedade tende a se equilibrar dentro de certos limites.”
“A rugosidade tem um limite superior de quão grande pode crescer – o tamanho da florzinha se compararmos com o brócolis. Fomos capazes de prever isso a partir da matemática, e parece ser uma característica inevitável de grandes colônias crescendo em 3-D.”
“Como o crescimento bacteriano tendia a seguir um padrão semelhante ao crescimento de cristais e outros fenômenos bem estudados de materiais inanimados, os pesquisadores foram capazes de adaptar modelos matemáticos padrão para refletir o crescimento bacteriano. Ele disse que pesquisas futuras provavelmente se concentrarão na melhor compreensão dos mecanismos por trás do crescimento, nas implicações das formas aproximadas de crescimento para o funcionamento das colônias e na aplicação dessas lições a outras áreas de interesse.”
“Em última análise, este trabalho dá-nos mais ferramentas para compreender e, eventualmente, controlar como as bactérias crescem na natureza.”
Jornal de referência:
- Alejandro Martínez-Calvo, Instabilidade morfológica e rugosidade de colônias bacterianas 3D em crescimento. Proceedings, da Academia Nacional de Ciências. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
