Kako rastoče bakterijske kolonije dobijo svojo obliko? Medtem ko je morfogeneza kolonij dobro raziskana v dveh dimenzijah, številne bakterije rastejo kot velike kolonije v tridimenzionalnih (3D) okoljih. Vendar pa je malo znanega o morfologiji kolonij bakterij, ki rastejo v treh dimenzijah.
Zdaj pa a Princeton skupina je iznašla način za opazovanje bakterij v 3-D okoljih. Odkrili so, da ko se bakterije razmnožujejo, njihove kolonije dosledno dobivajo grobe oblike, ki so bistveno bolj zapletene od tistih, ki jih običajno opazimo v ravnih posodah. Te oblike spominjajo na razvejano glavo brokolija.
Sujit Datta, docent za kemijsko in biološko inženirstvo na Princetonu in višji avtor študije, je dejal, »Odkar so bile bakterije odkrite pred več kot 300 leti, jih je večina laboratorijskih raziskav preučevala v epruvetah ali na petrijevkah. Če poskušate gledati bakterije rastejo v tkivih ali tleh so ti neprozorni in ne vidite, kaj počne kolonija. To je bil izziv.”
Dattina raziskovalna skupina je odkrila to vedenje s prelomno eksperimentalno postavitvijo, ki jim je omogočila opazovanje bakterijskih kolonij brez primere v njihovem naravnem, tridimenzionalnem stanju. Nepričakovano so znanstveniki odkrili, da je rast divjih kolonij nenehno podobna nastanek kristalov ali širjenje zmrzali na okenski šipi. Te grobe, razvejane strukture so običajne po vsej naravi, vendar jih običajno vidimo v kontekstu širitve ali združevanja neživih sistemov.
Datta je rekel "Ugotovili smo, da bakterijske kolonije, ki rastejo v 3-D, kažejo zelo podoben proces, kljub dejstvu, da so to skupine živih organizmov."
Datta je rekel »Na temeljni ravni smo navdušeni, da to delo razkriva presenetljive povezave med razvojem oblike in delovanja v bioloških sistemih ter študijami procesov rasti neživega v znanosti o materialih in statistični fiziki. Mislimo pa tudi, da bo ta novi pogled na to, kdaj in kje celice rastejo v 3-D, zanimal vse, ki jih zanima rast bakterij, na primer v okoljskih, industrijskih in biomedicinskih aplikacijah.
Dattina raziskovalna skupina že več let dela na sistemu za preučevanje dogodkov, ki so običajno skriti v nejasnih okoljih, vključno s tekočino, ki teče skozi tla. Ekipa podpira rast bakterij v 3-D z uporabo posebej izdelanih hidrogelov in polimerov, ki absorbirajo vodo, podobnih želeju in kontaktne leče. Za razliko od teh običajnih različic hidrogelov so materiali podjetja Datta sestavljeni iz drobnih kroglic hidrogela, ki jih bakterije zlahka deformirajo, kar omogoča prost prehod kisika, hranila, ki podpirajo rast bakterij, pa so prozorna za svetlobo.
Datta je rekel »Je kot žogica, kjer je vsaka žogica ločen hidrogel. So mikroskopske, zato jih ne vidite. Raziskovalna skupina je umerila sestavo hidrogela, da posnema strukturo zemlje ali tkiva. Hidrogel je dovolj močan, da podpira rastočo bakterijsko kolonijo, ne da bi predstavljal dovolj odpornosti, da bi omejil rast.
»Ko bakterijske kolonije rastejo v matrici hidrogela, lahko zlahka prerazporedijo kroglice okoli sebe, tako da niso ujete. To je tako, kot bi potopil roko v žogo. Če ga povlečete skozi, se kroglice prerazporedijo okoli vaše roke.
Da bi preučili, kako bakterije rastejo v treh dimenzijah, so raziskovalci izvedli poskuse s štirimi različnimi vrstami bakterij, vključno z eno, ki prispeva k kislemu okusu kombuče.
Datta je rekel »Spremenili smo vrste celic, hranilne pogoje in lastnosti hidrogela. Vse te parametre smo sistematično spreminjali, vendar se zdi, da je to splošen pojav.«
»Zdi se, da dva dejavnika povzročata rast v obliki brokolija na površini kolonije. Prvič, bakterije z dostopom do visokih ravni hranil ali kisika bodo rasle in se razmnoževale hitreje kot v manj bogatem okolju. Celo najbolj enotna okolja imajo nekaj neenakomerne gostote hranil in te razlike povzročijo, da se lise na površini kolonije dvignejo naprej ali zaostanejo. To se ponavlja v treh dimenzijah in povzroči, da bakterijska kolonija tvori izbokline in vozliče, saj nekatere podskupine bakterij rastejo hitreje kot njihove sosede.«
Drugič, raziskovalci so opazili, da so samo bakterije blizu površine kolonije rasle in se delile v tridimenzionalni rasti. Zdelo se je, da so bakterije, natrpane v središču kolonije, padle v stanje mirovanja. Ker bakterije v notranjosti niso rasle in se delile, zunanja površina ni bila izpostavljena pritisku, zaradi katerega bi se enakomerno razširila. Namesto tega njeno širitev poganja predvsem rast vzdolž samega roba kolonije. In rast vzdolž roba je podvržena variacijam hranil, ki sčasoma povzročijo neravno, neenakomerno rast.
Alejandro Martinez-Calvo, podoktorski raziskovalec na Princetonu in prvi avtor prispevka, je dejal, »Če bi bila rast enakomerna in ne bi bilo nobene razlike med bakterijami znotraj kolonije in tistimi na obrobju, bi bilo, kot da bi napolnili balon. Pritisk od znotraj bi zapolnil morebitne motnje na obrobju.«
Da bi pojasnili, zakaj tega pritiska ni bilo, so raziskovalci dodali fluorescentno oznako beljakovinam, ki postanejo aktivne v celicah, ko bakterije rastejo. Fluorescentna beljakovina zasveti, ko so bakterije aktivne, in ostane temna, ko niso. Ob opazovanju kolonij so raziskovalci videli, da so bakterije na robu kolonije svetlo zelene, sredica pa je ostala temna.
Datta je dejal, "Kolonija se v bistvu samoorganizira v jedro in lupino, ki se obnašata na zelo različne načine."
"Teorija pravi, da bakterije na robovih kolonije poberejo večino hranilnih snovi in kisika, tako da ostanejo le malo za notranje bakterije."
"Mislimo, da mirujejo, ker so sestradani, čeprav je opozoril, da so za to potrebne nadaljnje raziskave."
»Poskusi in matematični modeli, ki so jih uporabili raziskovalci, so našli zgornjo mejo izboklin, ki so nastale na površinah kolonij. Neravna površina je posledica naključnih variacij v kisik in hranila v okolju, vendar se naključnost v določenih mejah izenači.«
»Hrapavost ima zgornjo mejo, kako velika lahko zraste – velikost cvetov, če jo primerjamo z brokolijem. To smo lahko predvideli iz matematike in zdi se, da je to neizogibna lastnost velikih kolonij, ki rastejo v 3-D.
»Ker je rast bakterij običajno sledila podobnemu vzorcu kot rast kristalov in drugi dobro raziskani pojavi neživih materialov, so raziskovalci lahko prilagodili standardne matematične modele, da odražajo rast bakterij. Dejal je, da se bodo prihodnje raziskave verjetno osredotočile na boljše razumevanje mehanizmov za rastjo, posledice grobih oblik rasti za delovanje kolonije in uporabo teh lekcij na drugih zanimivih področjih.
"Navsezadnje nam to delo daje več orodij za razumevanje in sčasoma nadzor nad tem, kako bakterije rastejo v naravi."
Referenca dnevnika:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfološka nestabilnost in hrapavost rastočih 3D bakterijskih kolonij. Zbornik National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
