Как растущие колонии бактерий приобретают свою форму? В то время как морфогенез колоний хорошо изучен в двух измерениях, многие бактерии растут большими колониями в трехмерной (3D) среде. Однако мало что известно о морфологии колоний бактерий, растущих в трех измерениях.
Теперь, Princeton команда изобрела способ наблюдения за бактериями в трехмерной среде. Они обнаружили, что по мере размножения бактерий их колонии постоянно принимают грубые формы, которые значительно сложнее, чем те, которые обычно наблюдаются в плоских тарелках. Эти формы напоминают разветвленную головку брокколи.
Суджит Датта, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне и старший автор исследования, сказал: «С тех пор, как бактерии были открыты более 300 лет назад, большинство лабораторных исследований изучали их в пробирках или на чашках Петри. Если вы попытаетесь посмотреть бактерии растут в тканях или почве они непрозрачны, и вы не можете видеть, что делает колония. Это было вызовом».
Исследовательская группа Датты обнаружила это поведение, используя революционную экспериментальную установку, которая позволила им проводить беспрецедентные наблюдения за бактериальными колониями в их естественном трехмерном состоянии. Неожиданно ученые обнаружили, что рост диких колоний постоянно напоминал образование кристаллов или распространение инея на оконном стекле. Эти грубые разветвленные структуры распространены в природе, но обычно их можно увидеть в контексте расширяющихся или сходящихся неживых систем.
Датта сказал, «Мы обнаружили, что колонии бактерий, растущие в 3D, демонстрируют очень похожий процесс, несмотря на то, что это коллективы живых организмов».
Датта сказал, «На фундаментальном уровне мы рады, что эта работа раскрывает удивительные связи между развитием формы и функции в биологических системах и исследованиями процессов роста неживых животных в материаловедении и статистической физике. Но также мы думаем, что этот новый взгляд на то, когда и где клетки растут в 3D, заинтересует всех, кто интересуется ростом бактерий, например, в экологических, промышленных и биомедицинских приложениях».
В течение нескольких лет исследовательская группа Датты работала над системой для изучения событий, обычно скрытых в малоизвестной среде, включая протекание жидкости через почву. Команда поддерживает рост бактерий в 3D, используя специально разработанные гидрогели и водопоглощающие полимеры, похожие на желе и контактные линзы. В отличие от обычных вариантов гидрогелей, материалы Датты состоят из крошечных шариков гидрогеля, которые легко деформируются бактериями, что позволяет свободно проходить кислороду, а питательные вещества, поддерживающие рост бактерий, прозрачны для света.
Датта сказал, «Это похоже на бассейн с шариками, где каждый шарик представляет собой отдельный гидрогель. Они микроскопические, поэтому их не видно. Исследовательская группа откалибровала состав гидрогеля, чтобы он имитировал структуру почвы или ткани. Гидрогель достаточно прочен, чтобы поддерживать растущую бактериальную колонию, не оказывая при этом достаточного сопротивления, чтобы сдерживать рост».
«Поскольку колонии бактерий растут в гидрогелевой матрице, они могут легко переставлять шарики вокруг себя, чтобы не оказаться в ловушке. Это как засунуть руку в яму с шариками. Если вы протащите его, шары перестроятся вокруг вашей руки».
Чтобы изучить, как бактерии растут в трех измерениях, исследователи провели испытания с четырьмя различными типами бактерий, включая тот, который способствует кислому вкусу чайного гриба.
Датта сказал, «Мы изменили типы клеток, условия питания и свойства гидрогеля. Мы систематически меняли все эти параметры, но это, похоже, общее явление».
«Кажется, два фактора вызвали рост в форме брокколи на поверхности колонии. Во-первых, бактерии, имеющие доступ к высоким уровням питательных веществ или кислорода, будут расти и размножаться быстрее, чем в менее богатой среде. Даже самые однородные среды имеют некоторую неравномерность плотности питательных веществ, и эти различия приводят к тому, что пятна на поверхности колонии вырываются вперед или отстают. Повторяясь в трех измерениях, это приводит к тому, что бактериальная колония образует бугорки и узелки, поскольку некоторые подгруппы бактерий растут быстрее, чем их соседи».
«Во-вторых, исследователи заметили, что только бактерии, расположенные близко к поверхности колонии, росли и делились в трехмерном пространстве. Бактерии, набившиеся в центр колонии, словно впали в спящее состояние. Поскольку бактерии внутри не росли и не делились, внешняя поверхность не подвергалась давлению, которое заставляло бы ее равномерно расширяться. Вместо этого его расширение в основном обусловлено ростом на самом краю колонии. А рост вдоль края подвержен изменениям питательных веществ, что в конечном итоге приводит к ухабистому и неравномерному росту».
Алехандро Мартинес-Кальво, научный сотрудник Принстона и первый автор статьи, сказал: «Если бы рост был равномерным и не было бы разницы между бактериями внутри колонии и бактериями на периферии, это было бы похоже на наполнение воздушного шара. Давление изнутри заполнило бы любые возмущения на периферии».
Чтобы объяснить, почему этого давления не было, исследователи добавили флуоресцентную метку к белкам, которые становятся активными в клетках при росте бактерий. Флуоресцентный белок загорается, когда бактерии активны, и остается темным, когда они неактивны. Наблюдая за колониями, исследователи увидели, что бактерии на краю колонии были ярко-зелеными, а ядро оставалось темным.
Датта — сказал, «По сути, колония самоорганизуется в ядро и оболочку, которые ведут себя совершенно по-разному».
«Теория состоит в том, что бактерии на краях колонии забирают большую часть питательных веществ и кислорода, оставляя мало для внутренних бактерий».
«Мы думаем, что они впадают в спячку, потому что голодают, хотя он предупредил, что для изучения этого необходимы дальнейшие исследования».
«Эксперименты и математические модели, использованные исследователями, выявили верхний предел выпуклостей, образующихся на поверхности колоний. Бугристая поверхность возникает из-за случайных изменений в кислород и питательные вещества в окружающей среде, но случайность имеет тенденцию к выравниванию в определенных пределах».
«У шероховатости есть верхний предел того, насколько большим она может вырасти — размер соцветия, если мы сравним ее с брокколи. Мы смогли предсказать это с помощью математики, и это кажется неизбежной особенностью больших колоний, растущих в 3D».
«Поскольку рост бактерий имел тенденцию следовать той же схеме, что и рост кристаллов и другие хорошо изученные явления неодушевленных материалов, исследователи смогли адаптировать стандартные математические модели для отражения роста бактерий. Он сказал, что будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на лучшем понимании механизмов, лежащих в основе роста, последствиях грубых форм роста для функционирования колонии и применении этих уроков в других областях, представляющих интерес».
«В конечном счете, эта работа дает нам больше инструментов для понимания и, в конечном итоге, контроля над тем, как бактерии растут в природе».
Справочник журнала:
- Алехандро Мартинес-Кальво, Морфологическая нестабильность и огрубение растущих трехмерных бактериальных колоний. Труды Национальной академии наук, DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
