อาณานิคมของแบคทีเรียที่กำลังเติบโตมีรูปร่างอย่างไร? แม้ว่าการสร้างสัณฐานวิทยาของโคโลนีจะได้รับการศึกษาอย่างดีในสองมิติ แต่แบคทีเรียจำนวนมากจะเติบโตเป็นโคโลนีขนาดใหญ่ในสภาพแวดล้อมสามมิติ (3D) อย่างไรก็ตาม ยังไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของอาณานิคมของแบคทีเรียที่เติบโตในสามมิติ
ตอนนี้ พรินซ์ตัน ทีมงานได้คิดค้นวิธีการสังเกตแบคทีเรียในสภาพแวดล้อม 3 มิติ พวกเขาค้นพบว่าในขณะที่แบคทีเรียขยายตัว อาณานิคมของพวกมันจะมีรูปทรงหยาบๆ อยู่เสมอ ซึ่งมีความซับซ้อนมากกว่าที่พบในจานแบนโดยทั่วไป รูปร่างเหล่านี้คล้ายกับหัวบรอกโคลีที่แตกแขนง
Sujit Datta ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพที่ Princeton และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า “นับตั้งแต่ค้นพบแบคทีเรียเมื่อ 300 กว่าปีที่แล้ว การวิจัยในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ได้ทำการศึกษาพวกมันในหลอดทดลองหรือในจานเพาะเชื้อ หากได้ลองชม แบคทีเรียเติบโต ในเนื้อเยื่อหรือดิน สิ่งเหล่านั้นจะทึบแสง และคุณไม่สามารถมองเห็นได้ว่าอาณานิคมกำลังทำอะไรอยู่ นั่นคือความท้าทาย”
ทีมวิจัยของ Datta ได้ค้นพบพฤติกรรมนี้โดยใช้การตั้งค่าการทดลองที่ก้าวล้ำซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถสังเกตการณ์อาณานิคมของแบคทีเรียในสภาวะธรรมชาติสามมิติได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน โดยไม่คาดคิด นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าการเติบโตของอาณานิคมป่ามีลักษณะคล้ายกับ การก่อตัวของคริสตัล หรือน้ำค้างแข็งที่ฟุ้งกระจายบนบานหน้าต่าง โครงสร้างที่หยาบและแตกแขนงเหล่านี้พบได้ทั่วไปในธรรมชาติ แต่มักพบเห็นได้ในบริบทของการขยายหรือบรรจบกันของระบบไม่มีชีวิต
ดาต้ากล่าวว่า “เราพบว่าการเจริญเติบโตในอาณานิคมของแบคทีเรียในรูปแบบ 3 มิติมีกระบวนการที่คล้ายกันมาก แม้ว่าสิ่งเหล่านี้เป็นกลุ่มของสิ่งมีชีวิตก็ตาม”
ดาต้ากล่าวว่า “ในระดับพื้นฐาน เรารู้สึกตื่นเต้นที่งานนี้เผยให้เห็นความเชื่อมโยงที่น่าประหลาดใจระหว่างการพัฒนารูปแบบและหน้าที่ในระบบชีววิทยาและการศึกษากระบวนการเติบโตที่ไม่มีชีวิตในสาขาวัสดุศาสตร์และฟิสิกส์เชิงสถิติ แต่เราคิดว่ามุมมองใหม่ที่ว่าเซลล์จะเติบโตในรูปแบบ 3 มิติเมื่อใดและที่ไหนจะสนใจทุกคนที่สนใจในการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย เช่น ในการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม อุตสาหกรรม และชีวการแพทย์”
เป็นเวลาหลายปีที่กลุ่มวิจัยของ Datta ทำงานเกี่ยวกับระบบเพื่อศึกษาเหตุการณ์ที่มักซ่อนอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ชัดเจน รวมถึงของไหลที่ไหลผ่านดิน ทีมงานสนับสนุนการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในรูปแบบ 3 มิติโดยใช้ไฮโดรเจลที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษและโพลีเมอร์ดูดซับน้ำที่คล้ายกับเจลโล่และ คอนแทคเลนส์. ต่างจากไฮโดรเจลรุ่นทั่วไป วัสดุของ Datta ประกอบด้วยไฮโดรเจลลูกเล็ก ๆ ที่เปลี่ยนรูปได้ง่ายจากแบคทีเรีย ช่วยให้ออกซิเจนผ่านได้อย่างอิสระ และสารอาหารที่สนับสนุนการเจริญเติบโตของแบคทีเรียจะโปร่งใสต่อแสง
ดาต้ากล่าวว่า “มันเหมือนกับหลุมลูกบอลที่ลูกบอลแต่ละลูกมีไฮโดรเจลคนละตัวกัน พวกมันมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถมองเห็นพวกมันได้ ทีมวิจัยได้ปรับเทียบโครงสร้างของไฮโดรเจลเพื่อเลียนแบบโครงสร้างของดินหรือเนื้อเยื่อ ไฮโดรเจลมีความแข็งแรงพอที่จะรองรับการเติบโตของอาณานิคมของแบคทีเรียโดยไม่ต้องมีความต้านทานเพียงพอที่จะจำกัดการเจริญเติบโต”
“ในขณะที่อาณานิคมของแบคทีเรียเติบโตในเมทริกซ์ไฮโดรเจล พวกมันสามารถจัดเรียงลูกบอลรอบๆ พวกมันได้อย่างง่ายดาย จึงไม่ติดอยู่ เหมือนเอาแขนจุ่มลงไปในบ่อบอล หากคุณลากมันเข้าไป ลูกบอลจะจัดเรียงใหม่รอบแขนของคุณ”
เพื่อศึกษาว่าแบคทีเรียเติบโตในสามมิติได้อย่างไร นักวิจัยได้ทำการทดลองกับแบคทีเรียสี่ประเภทที่แตกต่างกัน รวมถึงแบคทีเรียที่มีส่วนทำให้เกิดรสชาติที่เป็นกรดของคอมบูชา
ดาต้ากล่าวว่า “เราเปลี่ยนประเภทเซลล์ สภาวะของสารอาหาร และคุณสมบัติของไฮโดรเจล เราเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์เหล่านั้นทั้งหมดอย่างเป็นระบบ แต่ดูเหมือนว่าจะเป็นปรากฏการณ์ทั่วไป”
“ดูเหมือนว่ามีปัจจัยสองประการที่ทำให้เกิดการเจริญเติบโตเป็นรูปบรอกโคลีบนพื้นผิวของอาณานิคม ประการแรก แบคทีเรียที่สามารถเข้าถึงสารอาหารหรือออกซิเจนในระดับสูงจะเติบโตและแพร่พันธุ์ได้เร็วกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีปริมาณน้อย แม้แต่สภาพแวดล้อมที่สม่ำเสมอที่สุดก็ยังมีความหนาแน่นของสารอาหารไม่เท่ากัน และการแปรผันเหล่านี้ทำให้จุดบนพื้นผิวของอาณานิคมพุ่งไปข้างหน้าหรือถอยหลัง ทำซ้ำในสามมิติ สิ่งนี้ทำให้อาณานิคมของแบคทีเรียก่อตัวเป็นก้อนและก้อนเนื้อ เนื่องจากแบคทีเรียกลุ่มย่อยบางกลุ่มเติบโตเร็วกว่าเพื่อนบ้าน”
“ประการที่สอง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่ามีเพียงแบคทีเรียที่อยู่ใกล้พื้นผิวของโคโลนีเท่านั้นที่เติบโตและแบ่งออกเป็นการเติบโตแบบสามมิติ แบคทีเรียที่อัดแน่นอยู่ในใจกลางของอาณานิคมดูเหมือนจะเข้าสู่สภาวะสงบเงียบ เนื่องจากแบคทีเรียภายในไม่เติบโตและแบ่งตัว พื้นผิวด้านนอกจึงไม่ถูกกดดันจนทำให้ขยายตัวเท่าๆ กัน ในทางกลับกัน การขยายตัวของมันถูกขับเคลื่อนโดยการเติบโตตามแนวขอบสุดของอาณานิคมเป็นหลัก และการเจริญเติบโตตามขอบนั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของสารอาหารซึ่งท้ายที่สุดจะส่งผลให้เกิดการเติบโตที่ไม่สม่ำเสมอและเป็นหลุมเป็นบ่อ”
Alejandro Martinez-Calvo นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Princeton และผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์กล่าวว่า “หากการเติบโตมีความสม่ำเสมอ และไม่มีความแตกต่างระหว่างแบคทีเรียในอาณานิคมกับแบคทีเรียที่อยู่รอบนอก มันก็จะเหมือนกับการเติมบอลลูน ความกดดันจากภายในจะเติมเต็มความปั่นป่วนบริเวณรอบนอก”
เพื่ออธิบายว่าทำไมจึงไม่มีความกดดันนี้ นักวิจัยได้เพิ่มแท็กฟลูออเรสเซนต์ลงในโปรตีนที่จะออกฤทธิ์ในเซลล์เมื่อแบคทีเรียเจริญเติบโต โปรตีนเรืองแสงจะสว่างขึ้นเมื่อแบคทีเรียทำงาน และจะยังคงมืดเมื่อไม่มีการใช้งาน เมื่อสำรวจอาณานิคม นักวิจัยพบว่าแบคทีเรียที่ขอบอาณานิคมนั้นมีสีเขียวสดใส ในขณะที่แกนกลางยังคงมืดอยู่
ดาต้า กล่าวว่า, “อาณานิคมโดยพื้นฐานแล้วจะจัดระเบียบตัวเองเป็นแกนกลางและเปลือกซึ่งมีพฤติกรรมแตกต่างกันมาก”
“ทฤษฎีก็คือแบคทีเรียที่ขอบโคโลนีดูดซับสารอาหารและออกซิเจนส่วนใหญ่ เหลือแบคทีเรียที่อยู่ด้านในเพียงเล็กน้อย”
“เราคิดว่าพวกมันกำลังจะสงบลงเพราะพวกมันหิวโหย แม้ว่าเขาจะเตือนว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อสำรวจเรื่องนี้”
“การทดลองและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่นักวิจัยใช้พบว่าขีดจำกัดบนของรอยนูนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวอาณานิคม พื้นผิวที่เป็นหลุมเป็นบ่อเกิดจากการแปรผันแบบสุ่มของ ออกซิเจน และสารอาหารในสิ่งแวดล้อม แต่ความสุ่มมีแนวโน้มว่าจะออกมาในขอบเขตที่แน่นอน”
“ความหยาบมีขีดจำกัดบนว่าจะโตได้ขนาดไหน — ขนาดของดอกหากเราเปรียบเทียบกับบรอกโคลี เราสามารถคาดเดาสิ่งนั้นได้จากคณิตศาสตร์ และดูเหมือนว่าจะเป็นลักษณะที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของอาณานิคมขนาดใหญ่ที่เติบโตในรูปแบบ 3 มิติ”
“เนื่องจากการเติบโตของแบคทีเรียมีแนวโน้มที่จะเป็นไปตามรูปแบบเดียวกันกับการเติบโตของผลึกและปรากฏการณ์อื่น ๆ ที่ได้รับการศึกษาอย่างดีของวัสดุที่ไม่มีชีวิต นักวิจัยจึงสามารถปรับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาตรฐานเพื่อสะท้อนการเติบโตของแบคทีเรียได้ เขากล่าวว่าการวิจัยในอนาคตน่าจะมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจกลไกเบื้องหลังการเติบโตให้ดีขึ้น ผลกระทบของรูปแบบการเจริญเติบโตคร่าวๆ สำหรับการทำงานของอาณานิคม และการนำบทเรียนเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้กับพื้นที่อื่นๆ ที่น่าสนใจ”
“ท้ายที่สุดแล้ว งานนี้ทำให้เรามีเครื่องมือมากขึ้นในการทำความเข้าใจ และควบคุมการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในธรรมชาติในท้ายที่สุด”
การอ้างอิงวารสาร:
- Alejandro Martínez-Calvo ความไม่แน่นอนทางสัณฐานวิทยาและความหยาบของอาณานิคมแบคทีเรีย 3 มิติที่กำลังเติบโต กิจการของ National Academy of Sciences. ดอย: 10.1073 / pnas.2208019119
