生长中的细菌菌落是如何形成形状的？虽然菌落形态发生在二维环境中得到了充分研究，但许多细菌在三维 (3D) 环境中生长为大菌落。然而，人们对三维生长的细菌菌落形态知之甚少。
现在，一个 普林斯顿 团队发明了一种在 3D 环境中观察细菌的方法。他们发现，随着细菌的繁殖，它们的菌落始终呈现出粗糙的形状，比平皿中通常观察到的形状要复杂得多。这些形状类似于西兰花的分枝头。
普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、该研究的资深作者苏吉特·达塔 (Sujit Datta) 说， “自从 300 多年前发现细菌以来，大多数实验室研究都是在试管或培养皿中研究它们。如果你尝试观看 细菌生长 在组织或土壤中，它们是不透明的，你看不到菌落在做什么。这就是挑战。”
达塔的研究团队通过突破性的实验装置发现了这种行为，使他们能够对自然三维状态下的细菌菌落进行前所未有的观察。出乎意料的是，科学家们发现，野生菌落的生长情况不断与野生菌落相似。 晶体的形成 或窗玻璃上霜的蔓延。这些粗糙的分支结构在自然界中很常见，但它们通常出现在扩展或聚合的非生命系统的背景下。
达塔说， “我们发现，在 3D 环境中生长的细菌菌落表现出非常相似的过程，尽管它们是活有机体的集合体。”
达塔说， “从根本上讲，我们很高兴这项工作揭示了生物系统中形式和功能的发展与材料科学和统计物理学中无生命生长过程的研究之间令人惊讶的联系。而且，我们认为这种关于细胞在 3D 中何时何地生长的新观点将会引起任何对细菌生长感兴趣的人的兴趣，例如在环境、工业和生物医学应用中。”
多年来，达塔的研究小组一直致力于开发一种系统来研究通常隐藏在模糊环境中的事件，包括流经土壤的流体。该团队通过使用特殊设计的水凝胶和类似于果冻和果冻的吸水聚合物来支持细菌在 3D 中的生长。 隐形眼镜。与那些常见的水凝胶不同，达塔的材料由微小的水凝胶球组成，很容易被细菌变形，从而允许氧气自由通过，并且支持细菌生长的营养物质对光透明。
达塔说， “这就像一个球坑，每个球都是一个单独的水凝胶。它们是微观的，所以你看不到它们。研究小组校准了水凝胶的组成，以模仿土壤或组织的结构。水凝胶的强度足以支持细菌菌落的生长，而不会产生足够的阻力来限制生长。”
“当细菌菌落在水凝胶基质中生长时，它们可以轻松地重新排列周围的球，这样它们就不会被困住。这就像将你的手臂插入球坑一样。如果你把它拖过去，球就会在你的手臂周围重新排列。”
为了研究细菌如何在三维空间中生长，研究人员对四种不同类型的细菌进行了试验，其中一种细菌会产生康普茶的酸性风味。
达塔说， “我们改变了细胞类型、营养条件和水凝胶特性。我们系统地改变了所有这些参数，但这似乎是一个普遍现象。”
“似乎有两个因素导致了菌落表面出现西兰花状的生长。首先，获得高水平营养或氧气的细菌会比在不太丰富的环境中生长和繁殖得更快。即使是最均匀的环境，营养物质的密度也会不均匀，这些变化会导致菌落表面的斑点向前或向后移动。在三个维度上重复，这会导致细菌菌落形成肿块和结节，因为某些细菌亚群比它们的邻居生长得更快。”
“其次，研究人员观察到，只有靠近菌落表面的细菌才会以三维生长方式生长和分裂。挤在菌落中心的细菌似乎进入了休眠状态。由于内部的细菌没有生长和分裂，因此外表面不会受到导致其均匀膨胀的压力。相反，它的扩张主要是由殖民地边缘的增长驱动的。沿着边缘的生长会受到营养变化的影响，最终导致生长崎岖不平。”
普林斯顿大学博士后研究员、该论文的第一作者亚历杭德罗·马丁内斯-卡尔沃说， “如果生长均匀，菌落内部和外围的细菌没有区别，那就就像填充一个气球一样。来自内部的压力会填补外围的任何扰动。”
为了解释为什么不存在这种压力，研究人员在蛋白质中添加了荧光标签，当细菌生长时，这些蛋白质在细胞中变得活跃。当细菌活跃时，荧光蛋白会亮起；当细菌不活跃时，荧光蛋白会保持黑暗。通过观察菌落，研究人员发现菌落边缘的细菌呈亮绿色，而核心仍呈黑色。
达塔 说过, “这个群体本质上是自组织成一个核心和一个外壳，它们的行为方式截然不同。”
“理论上，菌落边缘的细菌会吸收大部分营养物质和氧气，为内部细菌留下很少的营养。”
“我们认为它们正在休眠，因为它们挨饿了，尽管他警告说，需要进一步的研究来探索这一点。”
“研究人员使用的实验和数学模型发现了菌落表面形成的凸起的上限。凹凸不平的表面是由随机变化造成的 氧气 和环境中的营养物质，但随机性往往在一定限度内趋于平衡。”
“粗糙度对其能够生长的大小有一个上限——如果我们将其与西兰花进行比较，即小花的大小。我们能够从数学中预测到这一点，这似乎是大型菌落在 3D 中生长的不可避免的特征。”
“由于细菌的生长往往遵循与晶体生长和其他经过充分研究的无生命材料现象类似的模式，因此研究人员能够采用标准数学模型来反映细菌的生长。他说，未来的研究可能会集中于更好地理解生长背后的机制、粗糙生长形状对菌落功能的影响，并将这些经验教训应用到其他感兴趣的领域。
“最终，这项工作为我们提供了更多工具来理解并最终控制细菌在自然界中的生长方式。”
杂志参考：
- Alejandro Martínez-Calvo，生长中的 3D 细菌菌落的形态不稳定和粗糙化。 诉讼中的国家科学院院士。 DOI： 10.1073 / pnas.2208019119
