Büyüyen bakteri kolonileri şekillerini nasıl alır? Koloni morfogenezi iki boyutta iyi çalışılmış olsa da birçok bakteri üç boyutlu (3D) ortamlarda büyük koloniler halinde büyür. Ancak üç boyutlu olarak büyüyen bakterilerin koloni morfolojileri hakkında çok az şey bilinmektedir.
Şimdi, bir Princeton Ekip, bakterileri 3 boyutlu ortamlarda gözlemlemenin bir yolunu keşfetti. Bakteriler çoğaldıkça kolonilerinin sürekli olarak düz tabaklarda gözlemlenenlerden önemli ölçüde daha karmaşık kaba şekiller aldığını keşfettiler. Bu şekiller brokolinin dallanan başını andırıyor.
Princeton'da kimya ve biyoloji mühendisliği yardımcı doçenti ve çalışmanın kıdemli yazarı Sujit Datta şunları söyledi: "Bakteriler 300 yıl önce keşfedildiğinden beri çoğu laboratuvar araştırması onları test tüplerinde veya Petri kaplarında inceledi. Eğer izlemeye çalışırsan bakteri büyüyor Dokularda veya toprakta olanlar opaktır ve koloninin ne yaptığını göremezsiniz. Zorluk da buydu.”
Datta'nın araştırma ekibi, bakteri kolonilerinin doğal, üç boyutlu hallerinde benzeri görülmemiş gözlemler yapmalarına olanak tanıyan çığır açıcı bir deney düzeneği kullanarak bu davranışı ortaya çıkardı. Beklenmedik bir şekilde, bilim adamları yabani kolonilerin büyümesinin sürekli olarak benzer olduğunu keşfettiler. kristal oluşumu veya pencere camına don yayılması. Bu kaba, dallı yapılar doğada yaygındır, ancak genellikle genişleyen veya yakınlaşan cansız sistemler bağlamında görülürler.
Datta şunları söyledi: "3 boyutlu olarak büyüyen bakteri kolonilerinin, canlı organizmaların kolektifi olmasına rağmen çok benzer bir süreç sergilediğini bulduk."
Datta şunları söyledi: “Temel düzeyde, bu çalışmanın biyolojik sistemlerdeki biçim ve işlevin gelişimi ile malzeme bilimi ve istatistiksel fizikteki cansız büyüme süreçlerine ilişkin çalışmalar arasındaki şaşırtıcı bağlantıları ortaya çıkarmasından heyecan duyuyoruz. Ancak aynı zamanda hücrelerin 3 boyutlu olarak ne zaman ve nerede büyüdüğüne dair bu yeni görüşün çevresel, endüstriyel ve biyomedikal uygulamalar gibi bakteriyel büyümeyle ilgilenen herkesin ilgisini çekeceğini düşünüyoruz."
Birkaç yıldır Datta'nın araştırma grubu, toprakta akan sıvı da dahil olmak üzere, genellikle belirsiz ortamlarda gizlenen olayları incelemek için bir sistem üzerinde çalışıyor. Ekip, özel olarak tasarlanmış hidrojeller ve jöle benzeri su emici polimerler kullanarak 3 boyutlu bakteri üremesini destekliyor ve kontak lens. Hidrojellerin yaygın versiyonlarından farklı olarak Datta'nın malzemeleri, bakteriler tarafından kolayca deforme olabilen, oksijenin serbest geçişine izin veren küçük hidrojel toplarından oluşuyor ve bakteri üremesini destekleyen besinler ışığa karşı şeffaf.
Datta şunları söyledi: “Her topun ayrı bir hidrojel olduğu bir top havuzuna benziyor. Mikroskobik oldukları için onları göremezsiniz. Araştırma ekibi hidrojelin yapısını toprak veya doku yapısını taklit edecek şekilde kalibre etti. Hidrojel, büyümeyi sınırlamak için yeterli direnç göstermeden, büyüyen bakteri kolonisini destekleyecek kadar güçlüdür."
"Bakteri kolonileri hidrojel matrisinde büyüdükçe etraflarındaki topları kolayca yeniden düzenleyebilirler, böylece sıkışıp kalmazlar. Bu, kolunu top çukuruna sokmak gibi bir şey. Eğer onu sürüklerseniz toplar kolunuzun etrafında yeniden düzenlenir.
Bakterilerin üç boyutta nasıl büyüdüğünü incelemek için araştırmacılar, kombuchanın asidik tadına katkıda bulunan bakteri de dahil olmak üzere dört farklı bakteri türüyle denemeler yaptılar.
Datta şunları söyledi: "Hücre türlerini, besin koşullarını ve hidrojel özelliklerini değiştirdik. Tüm bu parametreleri sistematik olarak değiştirdik, ancak bu genel bir olgu gibi görünüyor."
"Bir koloninin yüzeyinde brokoli şeklindeki büyümeye iki faktör neden oluyor gibi görünüyordu. Birincisi, yüksek düzeyde besin veya oksijene erişimi olan bakteriler, daha az bolluğa sahip bir ortama göre daha hızlı büyüyecek ve çoğalacaktır. En tekdüze ortamlarda bile besin yoğunluğu eşit değildir ve bu farklılıklar koloni yüzeyindeki lekelerin öne çıkmasına veya geride kalmasına neden olur. Üç boyutta tekrarlanan bu durum, bazı bakteri alt gruplarının komşularından daha hızlı büyümesi nedeniyle bakteri kolonisinin tümsekler ve nodüller oluşturmasına neden oluyor."
“İkincisi, araştırmacılar yalnızca koloninin yüzeyine yakın olan bakterilerin üç boyutlu büyümeyle büyüdüğünü ve bölündüğünü gözlemledi. Koloninin merkezine sıkışan bakteriler uyku durumuna geçmiş gibi görünüyordu. İçerideki bakteriler büyüyüp bölünmediğinden dış yüzey eşit şekilde genişlemesine neden olacak bir basınca maruz kalmıyordu. Bunun yerine, genişlemesi öncelikle koloninin en ucundaki büyümeden kaynaklanıyor. Ve kenardaki büyüme, sonunda inişli çıkışlı, düzensiz büyümeyle sonuçlanan besin değişimlerine tabidir."
Princeton'da doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ilk yazarı Alejandro Martinez-Calvo şunları söyledi: "Eğer büyüme tekdüze olsaydı ve koloni içindeki bakteriler ile çevredeki bakteriler arasında hiçbir fark olmasaydı, bu bir balonu doldurmak gibi olurdu. İçeriden gelen baskı çevredeki her türlü tedirginliği giderecektir.”
Bu baskının neden mevcut olmadığını açıklamak için araştırmacılar, bakteriler büyüdüğünde hücrelerde aktif hale gelen proteinlere floresan bir etiket eklediler. Floresan protein, bakteriler aktif olduğunda yanar ve olmadığında karanlık kalır. Kolonileri gözlemleyen araştırmacılar, koloninin kenarlarındaki bakterilerin parlak yeşil olduğunu, çekirdeğin ise karanlık kaldığını gördüler.
veri şuraya, "Koloni aslında çok farklı şekillerde davranan bir çekirdek ve bir kabuk halinde kendi kendini organize ediyor."
"Teori, koloninin kenarlarındaki bakterilerin besin ve oksijenin çoğunu toplayıp içerideki bakterilere çok az şey bıraktığı yönünde."
"Açlıktan öldükleri için hareketsiz kaldıklarını düşünüyoruz, ancak bunu araştırmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç olduğu konusunda uyardı."
"Araştırmacıların kullandığı deneyler ve matematiksel modeller, koloni yüzeylerinde oluşan tümseklerin bir üst sınırını buldu. Engebeli yüzey, yüzeydeki rastgele değişikliklerden kaynaklanır. oksijen ve ortamdaki besinler, ancak rastgelelik belirli sınırlar içinde eşitlenme eğilimindedir."
"Pürüzlülüğün, büyüyebileceği büyüklükte bir üst sınırı vardır; brokoli ile karşılaştırırsak çiçekçik boyutu. Bunu matematikten tahmin edebildik ve bu, 3 boyutlu büyüyen büyük kolonilerin kaçınılmaz bir özelliği gibi görünüyor."
"Bakteri büyümesi, kristal büyümesi ve cansız malzemelerin iyi çalışılmış diğer fenomenleri ile benzer bir modeli takip etme eğiliminde olduğundan, araştırmacılar standart matematiksel modelleri bakteriyel büyümeyi yansıtacak şekilde uyarlayabildiler. Gelecekteki araştırmaların muhtemelen büyümenin arkasındaki mekanizmaları daha iyi anlamaya, kaba büyüme şekillerinin koloni işleyişine etkilerine ve bu dersleri diğer ilgi alanlarına uygulamaya odaklanacağını söyledi."
"Sonuçta bu çalışma bize bakterilerin doğada nasıl büyüdüğünü anlamamız ve nihayetinde kontrol etmemiz için daha fazla araç sağlıyor."
Dergi Referans:
- Alejandro Martínez-Calvo, Büyüyen 3D bakteri kolonilerinin morfolojik istikrarsızlığı ve pürüzlülüğü. Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
