Làm thế nào để phát triển khuẩn lạc vi khuẩn có được hình dạng của họ? Trong khi hình thái khuẩn lạc được nghiên cứu kỹ lưỡng ở hai chiều, nhiều vi khuẩn phát triển thành khuẩn lạc lớn trong môi trường ba chiều (3D). Tuy nhiên, người ta biết rất ít về hình thái khuẩn lạc của vi khuẩn phát triển theo ba chiều.
Bây giờ, một Princeton nhóm đã phát minh ra một cách để quan sát vi khuẩn trong môi trường 3-D. Họ phát hiện ra rằng khi vi khuẩn nhân lên, các khuẩn lạc của chúng luôn có hình dạng thô và phức tạp hơn đáng kể so với những gì thường thấy trong các đĩa phẳng. Những hình dạng này giống như đầu nhánh của bông cải xanh.
Sujit Datta, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Kể từ khi vi khuẩn được phát hiện hơn 300 năm trước, hầu hết các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã nghiên cứu chúng trong ống nghiệm hoặc trên đĩa Petri. Nếu bạn cố gắng xem vi khuẩn phát triển trong các mô hoặc đất, chúng mờ đục và bạn không thể thấy thuộc địa đang làm gì. Đó là thử thách.”
Nhóm nghiên cứu của Datta đã phát hiện ra hành vi này bằng cách sử dụng một thiết lập thí nghiệm mang tính đột phá cho phép họ thực hiện những quan sát chưa từng có về các khuẩn lạc vi khuẩn ở trạng thái ba chiều tự nhiên của chúng. Thật bất ngờ, các nhà khoa học phát hiện ra rằng sự phát triển của các thuộc địa hoang dã liên tục giống với sự hình thành tinh thể hoặc sự lan rộng của sương giá trên ô cửa sổ. Những cấu trúc thô, phân nhánh này là phổ biến trong tự nhiên, nhưng chúng thường được nhìn thấy trong bối cảnh mở rộng hoặc hội tụ các hệ thống không sống.
Đạt nói, “Chúng tôi phát hiện ra rằng phát triển ở dạng 3-D, các khuẩn lạc vi khuẩn biểu hiện một quá trình rất giống nhau mặc dù thực tế đây là những tập hợp các sinh vật sống.”
Đạt nói, “Ở cấp độ cơ bản, chúng tôi rất vui mừng khi công trình này tiết lộ những mối liên hệ đáng ngạc nhiên giữa sự phát triển của hình thức và chức năng trong các hệ thống sinh học và nghiên cứu về các quá trình tăng trưởng vô tri vô giác trong khoa học vật liệu và vật lý thống kê. Ngoài ra, chúng tôi nghĩ rằng quan điểm mới này về thời gian và địa điểm các tế bào đang phát triển ở dạng 3-D sẽ thu hút bất kỳ ai quan tâm đến sự phát triển của vi khuẩn, chẳng hạn như trong các ứng dụng môi trường, công nghiệp và y sinh.”
Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của Datta đã làm việc trên một hệ thống để nghiên cứu các sự kiện thường ẩn trong các môi trường ít người biết đến, bao gồm cả chất lỏng chảy qua đất. Nhóm hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn trong không gian 3 chiều bằng cách sử dụng hydrogel và polyme thấm nước được thiết kế đặc biệt tương tự như thạch và kính áp tròng. Không giống như những phiên bản hydrogel thông thường đó, vật liệu của Datta được tạo thành từ những quả bóng hydrogel nhỏ dễ dàng bị vi khuẩn biến dạng, cho phép oxy đi qua tự do và các chất dinh dưỡng hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn trong suốt với ánh sáng.
Đạt nói, “Nó giống như một hố bóng mà mỗi quả bóng là một hydrogel riêng lẻ. Chúng là kính hiển vi, vì vậy bạn không thể nhìn thấy chúng. Nhóm nghiên cứu đã hiệu chỉnh thành phần của hydrogel để bắt chước cấu trúc của đất hoặc mô. Hydrogel đủ mạnh để hỗ trợ quần thể vi khuẩn đang phát triển mà không có đủ sức đề kháng để hạn chế sự phát triển.”
“Khi các khuẩn lạc phát triển trong ma trận hydrogel, chúng có thể dễ dàng sắp xếp lại các quả bóng xung quanh chúng, vì vậy chúng không bị mắc kẹt. Nó giống như lao cánh tay của bạn vào hố bóng. Nếu bạn kéo nó qua, các quả bóng sẽ sắp xếp lại quanh cánh tay của bạn.”
Để nghiên cứu cách vi khuẩn phát triển theo ba chiều, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm với bốn loại vi khuẩn riêng biệt, trong đó có một loại góp phần tạo nên hương vị chua của kombucha.
Đạt nói, “Chúng tôi đã thay đổi loại tế bào, điều kiện dinh dưỡng và đặc tính hydrogel. Chúng tôi đã thay đổi tất cả các thông số đó một cách có hệ thống, nhưng đây dường như là một hiện tượng chung chung.”
“Hai yếu tố dường như gây ra sự phát triển hình bông cải xanh trên bề mặt của thuộc địa. Đầu tiên, vi khuẩn được tiếp cận với hàm lượng chất dinh dưỡng hoặc oxy cao sẽ phát triển và sinh sản nhanh hơn trong môi trường ít phong phú hơn. Ngay cả những môi trường đồng nhất nhất cũng có một số mật độ dinh dưỡng không đồng đều và những biến thể này khiến các điểm trên bề mặt thuộc địa tăng lên phía trước hoặc tụt lại phía sau. Lặp đi lặp lại trong không gian ba chiều, điều này làm cho quần thể vi khuẩn hình thành các vết sưng và nốt sần vì một số nhóm vi khuẩn phụ phát triển nhanh hơn các nhóm vi khuẩn lân cận của chúng.”
“Thứ hai, các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng chỉ những vi khuẩn gần bề mặt của thuộc địa mới phát triển và phân chia theo chiều tăng trưởng ba chiều. Vi khuẩn nhồi nhét vào trung tâm thuộc địa dường như rơi vào trạng thái không hoạt động. Do vi khuẩn bên trong không phát triển và phân chia nên bề mặt bên ngoài không phải chịu áp lực khiến nó nở ra đều. Thay vào đó, sự mở rộng của nó chủ yếu được thúc đẩy bởi sự tăng trưởng dọc theo rìa của thuộc địa. Và sự phát triển dọc theo mép chịu sự thay đổi về chất dinh dưỡng mà cuối cùng dẫn đến sự phát triển gập ghềnh, không đồng đều.”
Alejandro Martinez-Calvo, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Princeton và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: “Nếu sự phát triển đồng đều và không có sự khác biệt giữa vi khuẩn bên trong thuộc địa và vi khuẩn ở ngoại vi, thì nó sẽ giống như lấp đầy một quả bóng bay. Áp lực từ bên trong sẽ lấp đầy bất kỳ nhiễu loạn nào ở ngoại vi.”
Để giải thích tại sao không có áp suất này, các nhà nghiên cứu đã thêm một thẻ huỳnh quang vào các protein hoạt động trong tế bào khi vi khuẩn phát triển. Protein huỳnh quang sáng lên khi vi khuẩn hoạt động và vẫn tối khi chúng không hoạt động. Quan sát các khuẩn lạc, các nhà nghiên cứu thấy rằng vi khuẩn ở rìa khuẩn lạc có màu xanh sáng, trong khi lõi vẫn tối.
Datta nói, “Các thuộc địa về cơ bản tự tổ chức thành một lõi và một lớp vỏ hoạt động theo những cách rất khác nhau.”
“Lý thuyết là vi khuẩn ở rìa của thuộc địa hút hầu hết các chất dinh dưỡng và oxy, để lại một ít cho vi khuẩn bên trong.”
“Chúng tôi nghĩ rằng chúng không hoạt động vì chúng bị bỏ đói, mặc dù ông cảnh báo rằng cần nghiên cứu thêm để khám phá điều này.”
“Các thí nghiệm và mô hình toán học được các nhà nghiên cứu sử dụng đã tìm thấy giới hạn trên đối với các nốt sần hình thành trên bề mặt thuộc địa. Bề mặt gập ghềnh là kết quả của sự thay đổi ngẫu nhiên trong ôxy và chất dinh dưỡng trong môi trường, nhưng tính ngẫu nhiên có xu hướng cân bằng trong một số giới hạn nhất định.”
“Độ nhám có giới hạn trên về mức độ lớn của nó – kích thước của bông hoa nếu chúng ta so sánh nó với bông cải xanh. Chúng tôi có thể dự đoán điều đó từ toán học và đó dường như là một đặc điểm không thể tránh khỏi của các thuộc địa lớn đang phát triển trong không gian 3 chiều.”
“Vì sự phát triển của vi khuẩn có xu hướng tuân theo một mô hình tương tự như sự phát triển của tinh thể và các hiện tượng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng khác về vật liệu vô tri vô giác, nên các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các mô hình toán học tiêu chuẩn để phản ánh sự phát triển của vi khuẩn. Ông cho biết nghiên cứu trong tương lai có thể sẽ tập trung vào việc hiểu rõ hơn về cơ chế đằng sau sự phát triển, tác động của hình dạng tăng trưởng thô đối với hoạt động của thuộc địa và áp dụng những bài học này vào các lĩnh vực quan tâm khác.
“Cuối cùng, nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ hơn để hiểu và cuối cùng là kiểm soát cách thức vi khuẩn phát triển trong tự nhiên.”
Tạp chí tham khảo:
- Alejandro Martínez-Calvo, Sự không ổn định về hình thái và sự thô ráp của các khuẩn lạc vi khuẩn 3D đang phát triển. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
