Raziskovalci so lahko opazovali gosto rast bakterijskih kolonij v treh dimenzijah. Zasluge: Neil Adelenter / Univerza Princeton

Raziskovalci so ugotovili, da se kolonije bakterij tvorijo v treh dimenzijah v obliki debelega kristala.

Kolonije bakterij pogosto rastejo v trakovih na petrijevkah v laboratorijih, vendar nihče ni razumel, kako se kolonije organizirajo v bolj realističnih tridimenzionalnih (3-D) okoljih, kot so tkiva in geli v človeškem telesu ali prst in sediment v okolju. , Doslej. To znanje bi lahko bilo pomembno za napredek okoljskih in medicinskih raziskav.

a Univerza Princeton Ekipa je zdaj razvila metodo za vizualizacijo bakterij v 3-D okolju. Ugotovili so, da ko bakterije rastejo, njihove kolonije dosledno tvorijo fascinantne luskaste oblike, ki spominjajo na razvejane glave brokolija, veliko bolj zapletene od tistih, ki jih vidimo v petrijevkah.

“Odkar so bile bakterije odkrite pred več kot 300 leti, jih je večina laboratorijskih raziskav preučevala v epruvetah ali petrijevkah,” je povedal Sujit Datta, docent za kemijsko in biološko inženirstvo na Princetonu in višji avtor študije. To je bolj posledica praktičnih omejitev kot pomanjkanja radovednosti. “Če poskušate gojiti bakterije v tkivih ali tleh, so neprozorne in ne morete videti, kaj počne kolonija. To je bil res izziv.”

Raziskovalci Sujit Dutta, docent za kemijsko in biološko inženirstvo, Alejandro Martinez-Calvo, podoktorski raziskovalec, in Anna Hancock, podiplomska študentka kemijskega in biološkega inženirstva. Zasluge: David Kelly Crowe za univerzo Princeton

Duttina raziskovalna skupina je to vedenje odkrila s pomočjo eksperimentalne postavitve brez primere, ki jim je omogočila prej nezaslišana opazovanja bakterijskih kolonij v njihovem naravnem, tridimenzionalnem stanju. Znanstveniki so nepričakovano ugotovili, da je rast divjih kolonij dosledno podobna drugim naravnim pojavom, kot je rast kristalov ali širjenje zmrzali na okenskih steklih.

“Te vrste debelih, razvejanih oblik so v naravi vseprisotne, vendar običajno v kontekstu rastočih ali konglomeratnih neživih sistemov,” je dejal Dutta. “Ugotovili smo, da bakterijske kolonije, ki rastejo v 3-D, kažejo podoben proces kljub dejstvu, da so to agregati živih organizmov.”

Ta nova razlaga, kako bakterijske kolonije rastejo v treh dimenzijah, je bila nedavno objavljena v reviji Zbornik Nacionalne akademije znanosti, Dutta in njegovi kolegi pričakujejo, da bodo njihova odkritja uporabna pri številnih raziskavah evolucije bakterij, od ustvarjanja učinkovitejših protimikrobnih zdravil do ustvarjanja procesov, ki uporabljajo bakterije za farmacevtske, medicinske in okoljske raziskave, pa tudi za industrijsko uporabo. Pomoč bo.

Princetonski raziskovalci v laboratoriju. Zasluge: David Kelly Crowe za univerzo Princeton

“Na temeljni ravni smo navdušeni, da to delo razkriva presenetljive povezave med razvojem oblike in funkcije v bioloških sistemih ter preučevanjem neživih evolucijskih procesov v znanosti o materialih in statistični fiziki. Toda hkrati menimo, da razumevanje kdaj in kje celice rastejo v 3D, bo zanimalo vse, ki jih zanima razvoj bakterij, kot so bakterije za okoljske, industrijske in biomedicinske aplikacije.

Duttina raziskovalna skupina že več let razvija sistem, ki jim omogoča analizo pojavov, ki so običajno skriti v neprozornih okoljih, kot je pretok tekočine skozi tla. Ekipa je uporabila posebej zasnovane hidrogele, ki so polimeri, ki absorbirajo vodo, podobni želeju in kontaktnim lečam, kot matrice za podporo rasti bakterij v 3-D. Za razliko od tistih običajnih različic hidrogelov je Duttin material narejen iz izjemno majhnih kroglic hidrogela, ki jih bakterije zlahka razgradijo, kar omogoča prost prehod kisika in hranil, ki podpirajo rast bakterij, in je prozoren za svetlobo.

“To je kot žogica, kjer je vsaka žoga posamezen hidrogel. So mikroskopske, zato jih ne morete zares videti,” je dejal Dutta. Raziskovalna skupina je umerila sestavo hidrogela, da posnema sestavo zemlje ali tkiva. Hidrogel je dovolj močan, da podpira rastočo bakterijsko kolonijo, ne da bi nudil dovolj odpornosti, da bi zaustavil rast.

“Ko bakterijske kolonije rastejo v matrici hidrogela, lahko zlahka prerazporedijo kroglice okoli sebe, da se ne ujamejo,” je dejal. “Kot bi dal svojo roko v jamo z žogo. Če jo potegneš, se žoge prerazporedijo okoli tvoje roke.

Raziskovalci so eksperimentirali s štirimi različnimi vrstami bakterij (vključno z eno, ki pomaga proizvesti oster okus kombuče), da bi videli, kako rastejo v treh dimenzijah.

“Spremenili smo tip celice, hranilne pogoje, lastnosti hidrogela,” je dejal Dutta. Raziskovalci so v vsakem primeru opazili podobne, široko zasnovane vzorce rasti. “Sistematično smo spreminjali vse te parametre, vendar se zdi, da je to pogost pojav.”

Dutta je dejal, da sta dva dejavnika odgovorna za rast oblike brokolija na površini kolonije. Prvič, bakterije z dostopom do višjih ravni hranil ali kisika bodo hitreje rasle in se razmnoževale v manj obilnih okoljih. Celo najbolj enotna okolja imajo nekaj neenakomerne gostote hranil in te razlike povzročijo, da lise na površini kolonije napredujejo ali zaostajajo. To se ponavlja v treh dimenzijah in povzroči, da bakterijska kolonija tvori izbokline in vozliče, saj nekatere podskupine bakterij rastejo hitreje kot njihove sosede.

Drugič, raziskovalci so opazili, da so pri tridimenzionalni rasti rasle in se delile samo bakterije bližje površini kolonije. Bakterije, ki so vstopile v središče kolonije, so prešle v stanje mirovanja. Ker bakterije v notranjosti niso rasle in se delile, ni bilo pritiska na zunanjo površino, da bi se lahko enakomerno razširila. Namesto tega njegovo širitev poganja predvsem rast na samem robu kolonije. In rast vzdolž roba je podvržena variacijam hranil, ki sčasoma povzročijo neravno, neenakomerno rast.

“Če bi bila rast enakomerna in ne bi bilo nobene razlike med bakterijami v koloniji in tistimi na obrobju, bi bilo, kot bi napolnili balon,” je dejal Alejandro Martinez-Calvo, podoktorski raziskovalec na Princetonu in prvi avtor članka. Will zapolni vse nepopolnosti na obodu.”

Da bi pojasnili, zakaj tega pritiska ni bilo, so raziskovalci beljakovini dodali fluorescentno oznako, ki se aktivira v celicah, ko bakterije rastejo. Fluorescentna beljakovina zasveti, ko so bakterije aktivne, in ostane temna, ko niso. Med opazovanjem kolonij so raziskovalci opazili, da so bakterije na robu kolonije svetlo zelene, sredica pa je ostala temna.

“Kolonija se v bistvu organizira v jedro in lupino, ki se obnašata zelo različno, ” je dejal Dutta.

Dutta je dejal, da teorija pravi, da bakterije na robovih kolonije zavzamejo večino hranil in kisika, bakterijam v notranjosti pa ostane malo.

“Mislimo, da postajajo neaktivni, ker so lačni,” je dejal Dutta, čeprav je opozoril, da je potrebnih več raziskav, da bi ugotovili.

Dutta je dejal, da so poskusi in matematični modeli, ki so jih uporabili raziskovalci, ugotovili, da obstaja zgornja meja števila izboklin, ki se lahko oblikujejo na površinah kolonij. Hrapava površina je posledica naključnega nihanja kisika in hranil v okolju, vendar se naključnost v določenih mejah izravnava.

“Začinjenost ima zgornjo mejo, kako velika lahko postane – velikost cvetja, če jo primerjamo z brokolijem,” je dejal. “Matematično smo lahko napovedali in zdi se, da je to bistvena značilnost velikih kolonij v 3D.”

Ker rast bakterij običajno sledi vzorcem, podobnim rasti kristalov in drugim dobro raziskanim pojavom neživih materialov, je Datta dejal, da so raziskovalci lahko prilagodili standardne matematične modele, da odražajo rast bakterij. Dejal je, da se bodo prihodnje raziskave osredotočile na boljše razumevanje mehanizmov za rastjo, učinke pestre velikosti rasti na delovanje kolonije in uporabo teh lekcij na drugih zanimivih področjih.

“Navsezadnje nam to delo daje več orodij za razumevanje in končno nadzor nad tem, kako bakterije rastejo v naravi,” je dejal.

Referenca: Alejandro Martinez-Calvo, Tapomoy Bhattacharjee, R. Konane Bay, Hao Nghi Luu, Anna M. Hancock, Ned S. Wingreen in Sujit S. “Morfološka nestabilnost in hrapavost rastočih 3D bakterijskih kolonij”, Datta, 18. oktober 2022. Zbornik Nacionalne akademije znanosti,
DOI: 10.1073/PNAS.2208019119

Študijo so financirali National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund, Pew Biomedical Scholars Fund in Human Frontier Science Program.