Cum își capătă forma coloniile bacteriene în creștere? În timp ce morfogeneza coloniei este bine studiată în două dimensiuni, multe bacterii cresc ca colonii mari în medii tridimensionale (3D). Cu toate acestea, se știu puține despre morfologiile coloniilor de bacterii care cresc în trei dimensiuni.
Acum, a Princeton Echipa a inventat o modalitate de a observa bacteriile în medii 3-D. Ei au descoperit că, pe măsură ce bacteriile se înmulțesc, coloniile lor capătă în mod constant forme aspre, care sunt semnificativ mai complicate decât cele observate în general în vasele plate. Aceste forme seamănă cu un cap ramificat de broccoli.
Sujit Datta, profesor asistent de inginerie chimică și biologică la Princeton și autor principal al studiului, a spus: „De când bacteriile au fost descoperite acum peste 300 de ani, majoritatea cercetărilor de laborator le-au studiat în eprubete sau pe vase Petri. Dacă încerci să urmărești bacteriile cresc în țesuturi sau soluri, acestea sunt opace și nu poți vedea ce face colonia. Asta a fost provocarea.”
Echipa de cercetare a lui Datta a descoperit acest comportament folosind o configurație experimentală inovatoare care le-a permis să facă observații fără precedent ale coloniilor bacteriene în starea lor naturală, tridimensională. În mod neașteptat, oamenii de știință au descoperit că creșterea coloniilor sălbatice seamănă constant cu formarea de cristale sau răspândirea înghețului pe geamul ferestrei. Aceste structuri brute, ramificate sunt comune în întreaga natură, dar ele sunt de obicei văzute în contextul sistemelor nevii în expansiune sau convergentă.
Datta a spus, „Am descoperit că, crescând în 3-D, coloniile bacteriene prezintă un proces foarte similar, în ciuda faptului că acestea sunt colective de organisme vii.”
Datta a spus, „La un nivel fundamental, suntem încântați că această lucrare dezvăluie conexiuni surprinzătoare între dezvoltarea formei și a funcției în sistemele biologice și studiile proceselor de creștere neînsuflețite în știința materialelor și fizica statistică. Dar, de asemenea, credem că această nouă viziune despre când și unde cresc celulele în 3-D va interesa pe oricine este interesat de creșterea bacteriilor, cum ar fi aplicațiile de mediu, industriale și biomedicale.”
De câțiva ani, grupul de cercetare al lui Datta lucrează la un sistem pentru a studia evenimentele ascunse de obicei în medii obscure, inclusiv fluidul care curge prin sol. Echipa susține creșterea bacteriilor în 3-D prin utilizarea hidrogelurilor special concepute și a polimerilor absorbanți de apă similari cu jello și lentilele de contact. Spre deosebire de acele versiuni obișnuite de hidrogeluri, materialele lui Datta sunt alcătuite din bile minuscule de hidrogel ușor deformate de bacterii, permițând trecerea liberă a oxigenului, iar nutrienții care susțin creșterea bacteriilor sunt transparente la lumină.
Datta a spus, „Este ca o groapă de bile în care fiecare minge este un hidrogel individual. Sunt microscopice, așa că nu le poți vedea. Echipa de cercetare a calibrat machiajul hidrogelului pentru a imita structura solului sau a țesutului. Hidrogelul este suficient de puternic pentru a susține colonia bacteriană în creștere, fără a prezenta suficientă rezistență pentru a limita creșterea.”
„Pe măsură ce coloniile bacteriene cresc în matricea de hidrogel, ele pot rearanja cu ușurință bilele în jurul lor, astfel încât să nu fie prinse. E ca și cum ți-ai cufunda brațul în groapa de bile. Dacă îl tragi, bilele se rearanjează în jurul brațului tău.”
Pentru a studia modul în care bacteriile cresc în trei dimensiuni, cercetătorii au efectuat teste cu patru tipuri distincte de bacterii, inclusiv una care contribuie la aroma acidă a kombucha.
Datta a spus, „Am schimbat tipurile de celule, condițiile nutriționale și proprietățile hidrogelului. Am schimbat sistematic toți acești parametri, dar acesta pare a fi un fenomen generic.”
„Doi factori păreau să provoace creșterea în formă de broccoli pe suprafața unei colonii. În primul rând, bacteriile cu acces la niveluri ridicate de nutrienți sau oxigen vor crește și se vor reproduce mai repede decât într-un mediu mai puțin abundent. Chiar și cele mai uniforme medii au o densitate neuniformă a nutrienților, iar aceste variații fac ca petele de pe suprafața coloniei să se extindă sau să rămână în urmă. Repetată în trei dimensiuni, aceasta face ca colonia bacteriană să formeze umflături și noduli, deoarece unele subgrupuri de bacterii cresc mai repede decât vecinii lor.”
„În al doilea rând, cercetătorii au observat că numai bacteriile apropiate de suprafața coloniei au crescut și s-au împărțit în creștere tridimensională. Bacteriile înghesuite în centrul coloniei păreau să cadă într-o stare latentă. Deoarece bacteriile din interior nu creșteau și nu se divizau, suprafața exterioară nu a fost supusă unei presiuni care să-i facă să se extindă uniform. În schimb, expansiunea sa este determinată în primul rând de creșterea de-a lungul marginii coloniei. Și creșterea de-a lungul marginii este supusă variațiilor de nutrienți care în cele din urmă au ca rezultat o creștere accidentată și neuniformă.”
Alejandro Martinez-Calvo, cercetător postdoctoral la Princeton și primul autor al lucrării, a spus: „Dacă creșterea ar fi uniformă și nu ar exista nicio diferență între bacteriile din interiorul coloniei și cele de la periferie, ar fi ca și cum ai umple un balon. Presiunea din interior ar completa orice perturbare de la periferie.”
Pentru a explica de ce această presiune nu a fost prezentă, cercetătorii au adăugat o etichetă fluorescentă proteinelor care devin active în celule atunci când bacteriile cresc. Proteina fluorescentă se aprinde atunci când bacteriile sunt active și rămâne întunecată atunci când nu sunt. Observând coloniile, cercetătorii au văzut că bacteriile de la marginea coloniei erau de culoare verde strălucitor, în timp ce miezul rămânea întunecat.
Date a spus, „Colonia se autoorganizează în esență într-un miez și o coajă care se comportă în moduri foarte diferite.”
„Teoria este că bacteriile de la marginile coloniei captează majoritatea nutrienților și oxigenului, lăsând puțin pentru bacteriile din interior.”
„Credem că sunt latenți pentru că sunt înfometați, deși el a avertizat că sunt necesare cercetări suplimentare pentru a explora acest lucru.”
„Experimentele și modelele matematice folosite de cercetători au găsit o limită superioară a denivelărilor care s-au format pe suprafețele coloniilor. Suprafața accidentată rezultă din variații aleatorii ale oxigen și nutrienți în mediu, dar aleatorietatea tinde să se uniformizeze în anumite limite.”
„Rugozitatea are o limită superioară a cât de mare poate crește - dimensiunea buchetelui dacă o comparăm cu broccoli. Am putut prezice asta din matematică și pare a fi o caracteristică inevitabilă a coloniilor mari care cresc în 3-D.”
„Deoarece creșterea bacteriană a avut tendința de a urma un model similar cu creșterea cristalelor și alte fenomene bine studiate ale materialelor neînsuflețite, cercetătorii au reușit să adapteze modele matematice standard pentru a reflecta creșterea bacteriană. El a spus că cercetările viitoare se vor concentra probabil pe o mai bună înțelegere a mecanismelor din spatele creșterii, a implicațiilor formelor brute de creștere pentru funcționarea coloniei și pe aplicarea acestor lecții în alte domenii de interes.”
„În cele din urmă, această muncă ne oferă mai multe instrumente pentru a înțelege și, în cele din urmă, a controla modul în care bacteriile cresc în natură.”
Referința jurnalului:
- Alejandro Martínez-Calvo, Instabilitatea morfologică și asperarea coloniilor bacteriene 3D în creștere. Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
