Як зростаючі колонії бактерій набувають форми? Хоча морфогенез колоній добре вивчений у двох вимірах, багато бактерій ростуть у вигляді великих колоній у тривимірному (3D) середовищі. Однак мало відомо про морфологію колоній бактерій, що ростуть у трьох вимірах.
Тепер, а Princeton команда винайшла спосіб спостереження за бактеріями в 3-D середовищах. Вони виявили, що в міру того, як бактерії розмножуються, їх колонії постійно набувають грубих форм, які є значно складнішими, ніж ті, які зазвичай спостерігаються в плоскому посуді. Ці форми нагадують розгалужену головку брокколі.
Суджит Датта, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії в Прінстоні та старший автор дослідження, сказав: «З тих пір, як бактерії були відкриті понад 300 років тому, більшість лабораторних досліджень вивчали їх у пробірках або на чашках Петрі. Якщо ви спробуєте подивитися бактерії ростуть у тканинах або ґрунті вони непрозорі, і ви не можете побачити, що робить колонія. Це був виклик».
Дослідницька група Datta виявила цю поведінку за допомогою революційної експериментальної установки, яка дозволила їм проводити безпрецедентні спостереження бактеріальних колоній у їхньому природному тривимірному стані. Несподівано вчені виявили, що зростання диких колоній постійно нагадує утворення кристалів або поширення інею на віконному склі. Ці грубі, розгалужені структури поширені у всій природі, але зазвичай їх розглядають у контексті розширення або зближення неживих систем.
Датта сказав, «Ми виявили, що при вирощуванні в 3-D колонії бактерій демонструють дуже схожий процес, незважаючи на те, що це колективи живих організмів».
Датта сказав, «На фундаментальному рівні ми раді, що ця робота розкриває дивовижні зв’язки між розвитком форми та функціонування біологічних систем і дослідженнями процесів росту неживої природи в матеріалознавстві та статистичній фізиці. Але ми також вважаємо, що це нове уявлення про те, коли і де клітини ростуть у 3-D, зацікавить усіх, хто цікавиться розвитком бактерій, наприклад, у сфері навколишнього середовища, промисловості та біомедицини».
Кілька років дослідницька група Датти працювала над системою для вивчення подій, які зазвичай приховані в незрозумілих середовищах, включаючи рідину, що тече через ґрунт. Команда підтримує ріст бактерій у 3-D, використовуючи спеціально розроблені гідрогелі та водопоглинаючі полімери, подібні до желе та контактні лінзи. На відміну від цих поширених версій гідрогелів, матеріали Datta складаються з крихітних кульок гідрогелю, які легко деформуються бактеріями, що забезпечує вільний доступ кисню, а поживні речовини, які підтримують ріст бактерій, прозорі для світла.
Датта сказав, «Це як яма для кульок, де кожна кулька є окремим гідрогелем. Вони мікроскопічні, тому їх не видно. Дослідницька група відкалібрувала склад гідрогелю, щоб імітувати структуру ґрунту чи тканини. Гідрогель достатньо міцний, щоб підтримувати зростаючу бактеріальну колонію, не надаючи достатнього опору, щоб стримувати ріст».
«Коли колонії бактерій ростуть у гідрогелевій матриці, вони можуть легко переставляти кульки навколо себе, щоб не потрапити в пастку. Це як занурити руку в яму з м’ячем. Якщо ви протягнете його, кульки переставляться навколо вашої руки».
Щоб вивчити, як бактерії ростуть у трьох вимірах, дослідники провели випробування з чотирма різними типами бактерій, у тому числі однією, яка сприяє кислому смаку чайного гриба.
Датта сказав, «Ми змінили типи клітин, умови поживних речовин і властивості гідрогелю. Ми систематично змінювали всі ці параметри, але це, здається, загальне явище».
«Схоже, два фактори спричинили ріст у формі брокколі на поверхні колонії. По-перше, бактерії з високим рівнем поживних речовин або кисню будуть рости і розмножуватися швидше, ніж у менш насиченому середовищі. Навіть у найбільш однорідному середовищі є деяка нерівномірна щільність поживних речовин, і ці варіації призводять до того, що плями на поверхні колонії виростають вперед або відстають. Повторюючись у трьох вимірах, це змушує колонію бактерій утворювати горбки та вузлики, оскільки деякі підгрупи бактерій ростуть швидше, ніж їхні сусіди».
«По-друге, дослідники помітили, що тільки бактерії, розташовані поблизу поверхні колонії, росли і розділялися в тривимірному рості. Бактерії, напхані в центрі колонії, здавалося, впали в сплячий стан. Оскільки бактерії всередині не росли і не ділилися, зовнішня поверхня не піддавалася тиску, який спричинив би її рівномірне розширення. Натомість його розширення в основному зумовлене зростанням уздовж самого краю колонії. А зростання вздовж краю піддається змінам поживних речовин, що врешті-решт призводить до нерівного, нерівного росту».
Алехандро Мартінес-Кальво, докторант Прінстонського університету та перший автор статті, сказав: «Якби ріст був рівномірним і не було різниці між бактеріями всередині колонії та бактеріями на периферії, це було б як наповнення повітряної кулі. Тиск зсередини заповнював би будь-які пертурбації на периферії».
Щоб пояснити, чому цього тиску не було, дослідники додали флуоресцентну мітку до білків, які стають активними в клітинах, коли бактерії ростуть. Флуоресцентний білок світиться, коли бактерії активні, і залишається темним, коли вони активні. Спостерігаючи за колоніями, дослідники побачили, що бактерії на краю колонії були яскраво-зеленими, а серцевина залишалася темною.
Датта сказав, «Колонія по суті самоорганізується в ядро та оболонку, які поводяться дуже по-різному».
«Теорія полягає в тому, що бактерії на краях колонії забирають більшість поживних речовин і кисню, залишаючи мало для внутрішніх бактерій».
«Ми вважаємо, що вони перебувають у стані спокою, тому що голодують, хоча він попередив, що необхідні додаткові дослідження, щоб вивчити це».
«Експерименти та математичні моделі, які використовували дослідники, виявили верхню межу нерівностей, які утворилися на поверхні колоній. Нерівна поверхня є результатом випадкових коливань кисень і поживні речовини в навколишньому середовищі, але випадковість має тенденцію вирівнюватися в певних межах».
«Шорсткість має верхню межу того, наскільки вона може вирости — розмір квітки, якщо порівнювати її з брокколі. Ми змогли передбачити це за допомогою математики, і, здається, це неминуча особливість великих колоній, що ростуть у 3-D».
«Оскільки ріст бактерій мав тенденцію слідувати подібній схемі, як ріст кристалів та інші добре вивчені явища неживих матеріалів, дослідники змогли адаптувати стандартні математичні моделі для відображення росту бактерій. Він сказав, що майбутні дослідження, ймовірно, будуть зосереджені на кращому розумінні механізмів росту, наслідках грубих форм росту для функціонування колонії та застосуванні цих уроків до інших цікавих сфер».
«Зрештою, ця робота дає нам більше інструментів для розуміння та, зрештою, контролю того, як бактерії ростуть у природі».
Довідка з журналу:
- Алехандро Мартінес-Кальво, Морфологічна нестабільність і огрубіння зростаючих тривимірних бактеріальних колоній. Праці Національної академії наук. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
