Hur får växande bakteriekolonier sina former? Medan kolonimorfogenes är väl studerad i två dimensioner, växer många bakterier som stora kolonier i tredimensionella (3D) miljöer. Men lite är känt om kolonimorfologierna hos bakterier som växer i tre dimensioner.
Nu, a Princeton team har uppfunnit ett sätt att observera bakterier i 3D-miljöer. De upptäckte att när bakterierna förökar sig tar deras kolonier konsekvent grova former som är betydligt mer invecklade än de som vanligtvis observeras i platta rätter. Dessa former liknar ett förgrenat huvud av broccoli.
Sujit Datta, biträdande professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton och studiens senior författare, sa: "Ända sedan bakterier upptäcktes för över 300 år sedan, har den mesta labbforskningen studerat dem i provrör eller på petriskålar. Om du försöker titta bakterier växer i vävnader eller jordar är de ogenomskinliga och du kan inte se vad kolonin gör. Det har varit utmaningen.”
Dattas forskargrupp upptäckte detta beteende med hjälp av en banbrytande experimentell uppsättning som gjorde det möjligt för dem att göra oöverträffade observationer av bakteriekolonier i deras naturliga, tredimensionella tillstånd. Oväntat upptäckte forskarna att tillväxten av de vilda kolonierna ständigt liknade bildning av kristaller eller spridning av frost på en fönsterruta. Dessa grova, förgrenade strukturer är vanliga i hela naturen, men de ses vanligtvis i samband med expanderande eller konvergerande icke-levande system.
Datta sa, "Vi fann att bakteriekolonier växer i 3D uppvisar en mycket liknande process trots att dessa är kollektiv av levande organismer."
Datta sa, "På en grundläggande nivå är vi glada över att detta arbete avslöjar överraskande samband mellan utvecklingen av form och funktion i biologiska system och studier av livlösa tillväxtprocesser inom materialvetenskap och statistisk fysik. Men vi tror också att den här nya synen på när och var celler växer i 3D kommer att intressera alla som är intresserade av bakterietillväxt, till exempel i miljömässiga, industriella och biomedicinska tillämpningar."
Under flera år har Dattas forskargrupp arbetat med ett system för att studera händelser som vanligtvis gömmer sig i obskyra miljöer, inklusive vätska som strömmar genom jordar. Teamet stödjer bakterietillväxt i 3D genom att använda speciellt framtagna hydrogeler och vattenabsorberande polymerer som liknar jello och kontaktlinser. Till skillnad från de vanliga versionerna av hydrogeler består Dattas material av små kulor av hydrogel som lätt deformeras av bakterierna, vilket möjliggör fri passage av syre, och näringsämnen som stöder bakterietillväxt är genomskinliga för ljus.
Datta sa, "Det är som en bollgrop där varje boll är en individuell hydrogel. De är mikroskopiska, så du kan inte se dem. Forskargruppen kalibrerade hydrogelens makeup för att efterlikna strukturen av jord eller vävnad. Hydrogelen är tillräckligt stark för att stödja den växande bakteriekolonin utan att presentera tillräckligt motstånd för att begränsa tillväxten."
"När bakteriekolonierna växer i hydrogelmatrisen kan de lätt ordna om bollarna runt dem, så att de inte fastnar. Det är som att kasta armen i bollgropen. Om du drar igenom den, arrangeras bollarna runt din arm."
För att studera hur bakterier växer i tre dimensioner genomförde forskarna försök med fyra olika typer av bakterier, inklusive en som bidrar till den sura smaken av kombucha.
Datta sa, "Vi ändrade celltyper, näringsförhållanden och hydrogelegenskaper. Vi ändrade systematiskt alla dessa parametrar, men det här verkar vara ett generiskt fenomen."
"Två faktorer verkade orsaka den broccoliformade tillväxten på en kolonis yta. För det första kommer bakterier med tillgång till höga nivåer av näringsämnen eller syre att växa och föröka sig snabbare än i en mindre riklig miljö. Även de mest enhetliga miljöerna har en viss ojämn täthet av näringsämnen, och dessa variationer gör att fläckar i kolonins yta skjuter fram eller hamnar på efterkälken. Upprepad i tre dimensioner gör detta att bakteriekolonin bildar knölar och knölar eftersom vissa undergrupper av bakterier växer snabbare än sina grannar."
"För det andra observerade forskarna att bara bakterierna nära kolonins yta växte och delade sig i tredimensionell tillväxt. Bakterierna som trängdes in i kolonins centrum verkade förfalla till ett vilande tillstånd. Eftersom bakterierna inuti inte växte och delade sig, utsattes den yttre ytan inte för tryck som skulle få den att expandera jämnt. Istället drivs dess expansion främst av tillväxt längs kolonins ytterkant. Och tillväxten längs kanten är föremål för näringsvariationer som så småningom resulterar i ojämn tillväxt."
Alejandro Martinez-Calvo, en postdoktor vid Princeton och tidningens första författare, sa: "Om tillväxten var enhetlig, och det inte fanns någon skillnad mellan bakterierna inne i kolonin och de i periferin, skulle det vara som att fylla en ballong. Trycket från insidan skulle fylla ut eventuella störningar i periferin.”
För att förklara varför detta tryck inte var närvarande lade forskarna till en fluorescerande tagg till proteiner som blir aktiva i cellerna när bakterierna växer. Det fluorescerande proteinet lyser upp när bakterier är aktiva och förblir mörkt när de inte är det. När de observerade kolonierna såg forskarna att bakterier på kolonins kant var ljusgröna, medan kärnan förblev mörk.
Datta sade, "Kolonin organiserar sig i huvudsak i en kärna och ett skal som beter sig på väldigt olika sätt."
"Teorin är att bakterierna på kolonins kanter öser upp det mesta av näringsämnena och syre, vilket lämnar lite till de inre bakterierna."
"Vi tror att de håller på att vila eftersom de är svälta, även om han varnade för att ytterligare forskning behövdes för att utforska detta."
"De experiment och matematiska modeller som forskarna använde fann en övre gräns för de gupp som bildades på koloniytorna. Den ojämna ytan är ett resultat av slumpmässiga variationer i syre och näringsämnen i miljön, men slumpen tenderar att jämnas ut inom vissa gränser.”
"Strävheten har en övre gräns för hur stor den kan växa - bukstorleken om vi jämför den med broccoli. Vi kunde förutsäga det utifrån matematiken, och det verkar vara ett oundvikligt inslag i stora kolonier som växer i 3D.”
"Eftersom bakterietillväxten tenderade att följa ett liknande mönster som kristalltillväxt och andra välstuderade fenomen av livlösa material, kunde forskarna anpassa matematiska standardmodeller för att återspegla bakterietillväxten. Han sa att framtida forskning sannolikt kommer att fokusera på att bättre förstå mekanismerna bakom tillväxten, konsekvenserna av grova tillväxtformer för kolonifunktion och att tillämpa dessa lärdomar på andra intresseområden."
"I slutändan ger detta arbete oss fler verktyg för att förstå, och så småningom kontrollera, hur bakterier växer i naturen."
Tidskriftsreferens:
- Alejandro Martínez-Calvo, Morfologisk instabilitet och uppruggning av växande 3D-bakteriekolonier. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
