Naukowcy z Princeton rozwiązują tajemnicę bakterii

Naukowcy odkryli, że kolonie bakterii tworzą się w trzech wymiarach o szorstkich, przypominających kryształy kształtach.

Kolonie bakteryjne często rosną w liniach na płytkach Petriego w laboratoriach, ale do tej pory nikt nie rozumiał, w jaki sposób kolonie układają się w bardziej realistycznych środowiskach 3D, takich jak tkanki i żele w ludzkich ciałach lub gleba i osady w środowisku. Ta wiedza może być ważna dla rozwoju badań środowiskowych i medycznych.

a Uniwersytet Princeton Zespół opracował teraz sposób monitorowania bakterii w środowiskach 3D. Odkryli, że gdy bakterie rosną, ich kolonie nieustannie tworzą cudownie postrzępione kształty przypominające rozgałęzioną główkę brokuła, o wiele bardziej złożone niż to, co widzimy na szalce Petriego.

„Odkąd bakterie zostały odkryte ponad 300 lat temu, większość badań laboratoryjnych badała je w probówkach lub na płytkach Petriego” – powiedział Sujit Datta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej na Uniwersytecie Princeton i główny autor badania. Wynikało to raczej z praktycznych ograniczeń niż z braku ciekawości. „Jeśli spróbujesz obserwować, jak bakterie rosną w tkance lub w glebie, są one nieprzejrzyste i tak naprawdę nie możesz zobaczyć, co robi kolonia. To było prawdziwe wyzwanie.”

Naukowcy to Sujit Datta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej, Alejandro Martínez Calvo, badacz ze stopniem doktora oraz Ana Hancock, absolwentka inżynierii chemicznej i biologicznej. Źródło: David Kelly Crowe z Princeton University

Grupa badawcza Data odkryła to zachowanie za pomocą pionierskiej konfiguracji eksperymentalnej, która umożliwia im dokonywanie wcześniej niespotykanych obserwacji kolonii bakteryjnych w ich naturalnym, trójwymiarowym stanie. Nieoczekiwanie naukowcy odkryli, że wzrost dzikich kolonii konsekwentnie przypomina inne naturalne zjawiska, takie jak wzrost kryształów lub rozprzestrzenianie się szronu na szybach okiennych.

„Tego rodzaju postrzępione, rozgałęzione kształty są wszechobecne w przyrodzie, ale zwykle w kontekście rosnących lub zlepiających się systemów nieożywionych” – powiedział Datta. „Odkryliśmy, że wzrost trójwymiarowych kolonii bakteryjnych przebiega bardzo podobnie, mimo że są to grupy organizmów”.

To nowe wyjaśnienie, w jaki sposób kolonie bakterii ewoluują w trzech wymiarach, zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Obrady Narodowej Akademii Nauk. Datta i jego współpracownicy mają nadzieję, że ich odkrycia pomogą w szerokim zakresie badań nad rozwojem bakterii, od tworzenia skuteczniejszych środków przeciwdrobnoustrojowych po badania farmaceutyczne, medyczne i środowiskowe, a także procedury wykorzystujące bakterie do zastosowań przemysłowych.

Naukowcy z Princeton w laboratorium. Źródło: David Kelly Crowe z Princeton University

„Na poziomie podstawowym jesteśmy podekscytowani, że ta praca ujawnia zaskakujące powiązania między ewolucją formy i funkcji w systemach biologicznych a badaniami procesów wzrostu nieożywionych w materiałoznawstwie i fizyce statystycznej. Ale wierzymy również, że ten nowy wgląd w kiedy i gdzie komórki rosną w 3D, zainteresuje każdego, kto interesuje się rozwojem bakterii, na przykład w zastosowaniach środowiskowych, przemysłowych i biomedycznych” – powiedział Datta.

Od kilku lat zespół badawczy Datty opracowuje system, który pozwala im analizować zjawiska, które normalnie byłyby ukryte w nieprzejrzystych warunkach, takich jak przepływ płynów przez glebę. Zespół wykorzystuje specjalnie zaprojektowane hydrożele, które są polimerami pochłaniającymi wodę, podobnymi do tych, które można znaleźć w soczewkach kontaktowych i żelkach, jako matryce wspierające wzrost bakterii w 3D. W przeciwieństwie do popularnych wersji hydrożeli, materiały Data składają się z bardzo małych kulek hydrożelu, które są łatwo deformowane przez bakterie, umożliwiają swobodny przepływ tlenu i składników odżywczych, które wspierają rozwój bakterii i są przezroczyste dla światła.

„To jest jak basen z kulkami, w którym każda kulka jest indywidualnym hydrożelem. Jest mikroskopijny, więc tak naprawdę nie można go zobaczyć” – powiedział Datta. Zespół badawczy skalibrował skład hydrożelu, aby naśladować strukturę gleby lub tkanki. Hydrożel jest wystarczająco silny, aby wspierać wzrost kolonii bakteryjnych bez wprowadzania oporności, wystarczający do ograniczenia wzrostu.

„Gdy kolonie bakteryjne rosną w macierzy hydrożelowej, mogą z łatwością przestawić globulki wokół siebie, aby nie zostały uwięzione” – powiedział. „To jak zanurzenie ręki w basenie z piłkami. Jeśli ją przeciągniesz, kulki przestawią się wokół twojego ramienia.”

Naukowcy eksperymentowali z czterema różnymi typami bakterii (w tym jedną, która pomaga stworzyć ostry smak kombuchy), aby zobaczyć, jak rosły w trzech wymiarach.

„Zmieniliśmy typy komórek, warunki odżywcze i właściwości hydrożelu” – powiedział Datta. Naukowcy zauważyli te same wzorce wzrostu w każdym przypadku. „Systematycznie zmienialiśmy wszystkie te parametry, ale wydaje się, że jest to zjawisko ogólne”.

Dane mówią, że dwa czynniki wydają się powodować wzrosty w kształcie kalafiora na powierzchni kolonii. Po pierwsze, bakterie z wyższym poziomem składników odżywczych lub tlenu będą rosły i rozmnażały się szybciej niż te w mniej obfitym środowisku. Nawet najbardziej spójne środowiska mają pewne nierówne gęstości składników odżywczych, a te różnice powodują, że plamy na powierzchni kolonii przesuwają się do przodu lub pozostają w tyle. Powtarza się to w trzech wymiarach, powodując, że kolonia bakterii tworzy guzy i guzki, ponieważ niektóre podzbiory bakterii rosną szybciej niż ich sąsiedzi.

Po drugie, naukowcy zauważają, że we wzroście 3D tylko bakterie blisko powierzchni kolonii rosną i dzielą się. Bakterie zgniecione w środku kolonii wydają się przechodzić w stan hibernacji. Ponieważ bakterie w środku nie rosły i nie dzieliły się, na zewnątrz nie było nacisku, który powodowałby równomierne rozszerzanie się. Zamiast tego jego ekspansja jest napędzana głównie wzrostem wzdłuż krawędzi kolonii. Wzrost wzdłuż krawędzi podlega zmianom składników odżywczych, które ostatecznie prowadzą do zahamowania i nieregularnego wzrostu.

„Gdyby wzrost był jednolity i nie byłoby różnicy między bakteriami wewnątrz kolonii a bakteriami na obrzeżach, byłoby to jak napełnianie balonu” – powiedział Alejandro Martínez Calvo, doktor habilitowany na Uniwersytecie Princeton i pierwszy autor artykułu. . „Nacisk z wewnątrz wypełni wszelkie zamieszanie w kończynach”.

Aby wyjaśnić, dlaczego ten stres nie był obecny, naukowcy dodali znacznik fluorescencyjny do białek, które stają się aktywne w komórkach, gdy bakterie rosną. Białko fluorescencyjne świeci, gdy bakterie są aktywne i pozostaje ciemne, gdy nie są. Obserwując kolonie, naukowcy zauważyli, że bakterie na krawędzi kolonii były jasnozielone, podczas gdy rdzeń pozostawał ciemny.

„Kolonia zasadniczo organizuje się w rdzeń i skorupę, które zachowują się na bardzo różne sposoby” – powiedział Datta.

Teoria, jak powiedział Datta, jest taka, że ​​bakterie na obrzeżach kolonii pobierają większość składników odżywczych i tlenu, pozostawiając niewiele dla bakterii wewnętrznych.

„Uważamy, że hibernują, ponieważ są głodni” – powiedział Datta, choć ostrzegł, że potrzeba więcej badań, aby to zbadać.

Dane powiedziały, że eksperymenty i modele matematyczne zastosowane przez naukowców wykazały, że istnieje górna granica grzbietów, które tworzyły się na powierzchni kolonii. Wyboista powierzchnia jest wynikiem przypadkowych różnic w zawartości tlenu i składników odżywczych w środowisku, ale przypadkowość mieści się nawet w pewnych granicach.

„Chropowatość ma górną granicę tego, jak duża może być – wielkość różyczki, jeśli porównamy ją do brokułów” – powiedział. „Byliśmy w stanie przewidzieć to za pomocą matematyki i wydaje się, że jest to nieunikniona cecha wzrostu dużych kolonii w 3D”.

Ponieważ wzrost bakterii ma tendencję do podążania za podobnym schematem do wzrostu kryształów i innych dobrze zbadanych zjawisk związanych z materiałami nieożywionymi, Datta powiedział, że naukowcy byli w stanie dostosować standardowe modele matematyczne, aby odzwierciedlić wzrost bakterii. Powiedział, że przyszłe badania będą prawdopodobnie koncentrować się na lepszym zrozumieniu mechanizmów stojących za wzrostem, implikacjach dla szorstkich form wzrostu funkcjonowania kolonii i zastosowaniu tych lekcji do innych obszarów zainteresowania.

„Ostatecznie ta praca daje nam więcej narzędzi do zrozumienia, a ostatecznie do kontrolowania, w jaki sposób bakterie rosną w naturze” – powiedział.

Odniesienie: „Niestabilność morfologiczna i szorstkość wzrostu trójwymiarowych kolonii bakteryjnych” Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen i Sojit S-Data, 18 października 2022 r., Dostępne tutaj. Obrady Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, Pew Medical Scientists Fund oraz Human Frontier Science Program.