Vedci zistili, že kolónie baktérií sa tvoria v troch rozmeroch s drsnými, kryštálovými tvarmi.

Bakteriálne kolónie často rastú v radoch na Petriho miskách v laboratóriách, ale doteraz nikto nechápal, ako sa kolónie usporiadajú v realistickejších 3D prostrediach, ako sú tkanivá a gély v ľudských telách alebo pôda a sedimenty v prostredí. Tieto poznatky môžu byť dôležité pre pokrok environmentálneho a lekárskeho výskumu.

a Princetonská univerzita Tím teraz vyvinul spôsob, ako monitorovať baktérie v 3D prostrediach. Zistili, že ako baktérie rastú, ich kolónie neustále vytvárajú nádherne zubaté tvary pripomínajúce rozvetvenú hlávku brokolice, oveľa zložitejšie ako to, čo vidíme v Petriho miske.

„Odkedy boli baktérie objavené pred viac ako 300 rokmi, väčšina laboratórnych výskumov ich študovala v skúmavkách alebo na Petriho miskách,“ povedal Sujit Datta, odborný asistent chemického a biologického inžinierstva na Princetonskej univerzite a hlavný autor štúdie. Bolo to skôr výsledkom praktických obmedzení než nedostatku zvedavosti. „Ak sa pokúsite sledovať rast baktérií v tkanive alebo v pôde, sú nepriehľadné a v skutočnosti nevidíte, čo kolónia robí. To bola skutočná výzva.“

Výskumníkmi sú Sujit Datta, odborný asistent chemického a biologického inžinierstva, Alejandro Martínez Calvo, postdoktorandský výskumník, a Ana Hancock, postgraduálna študentka chemického a biologického inžinierstva. Poďakovanie: David Kelly Crowe z Princetonskej univerzity

Výskumná skupina Data objavila toto správanie pomocou priekopníckeho experimentálneho nastavenia, ktoré im umožňuje vykonávať dovtedy neslýchané pozorovania bakteriálnych kolónií v ich prirodzenom, trojrozmernom stave. Vedci neočakávane zistili, že rast divokých kolónií neustále pripomína iné prírodné javy, ako je rast kryštálov alebo námraza šíriaca sa na okennom skle.

„Tieto typy zubatých, rozvetvených tvarov sú v prírode všadeprítomné, ale zvyčajne v kontexte rastúcich alebo zhlukujúcich sa neživých systémov, “ povedal Datta. „Zistili sme, že rast v 3D bakteriálnych kolóniách vykazuje veľmi podobný proces napriek skutočnosti, že ide o skupiny organizmov.“

Toto nové vysvetlenie toho, ako sa kolónie baktérií vyvíjajú v troch rozmeroch, bolo nedávno publikované v časopise Zborník Národnej akadémie vied. Datta a jeho kolegovia dúfajú, že ich objavy pomôžu širokému spektru výskumu rastu baktérií, od vytvorenia účinnejších antimikrobiálnych látok až po farmaceutický, lekársky a environmentálny výskum, ako aj postupy, ktoré využívajú baktérie na priemyselné využitie.

Výskumníci z Princetonu v laboratóriu. Poďakovanie: David Kelly Crowe z Princetonskej univerzity

„Na základnej úrovni sme nadšení, že táto práca odhaľuje prekvapivé súvislosti medzi evolúciou formy a funkcie v biologických systémoch a štúdiami neživých rastových procesov v materiálovej vede a štatistickej fyzike. Ale tiež veríme, že tento nový pohľad na kedy a kde bunky rastú v 3D, bude zaujímavé pre každého, kto sa zaujíma o rast baktérií, napríklad v environmentálnych, priemyselných a biomedicínskych aplikáciách,“ povedal Datta.

Výskumný tím spoločnosti Datta už niekoľko rokov vyvíja systém, ktorý im umožňuje analyzovať javy, ktoré by za normálnych okolností boli zakryté v nepriehľadných podmienkach, ako je tok tekutín pôdou. Tím používa špeciálne navrhnuté hydrogély, čo sú polyméry absorbujúce vodu podobné tým, ktoré sa nachádzajú v kontaktných šošovkách a želé, ako matrice na podporu rastu baktérií v 3D. Na rozdiel od týchto bežných verzií hydrogélov, dátové materiály pozostávajú z veľmi malých guľôčok hydrogélu, ktoré sa ľahko deformujú baktériami, umožňujú voľný priechod kyslíka a živín, ktoré podporujú rast baktérií a sú priehľadné pre svetlo.

„Je to ako guľová jamka, kde každá guľôčka je samostatný hydrogél. Je mikroskopická, takže ju skutočne nevidíte,“ povedal Datta. Výskumný tím kalibroval zloženie hydrogélu tak, aby napodobňovalo štruktúru pôdy alebo tkaniva. Hydrogél je dostatočne silný na to, aby podporoval rast bakteriálnych kolónií bez toho, aby vyvolával rezistenciu.dostatočný na obmedzenie rastu.

„Keď bakteriálne kolónie rastú v hydrogélovej matrici, môžu ľahko preusporiadať guľôčky okolo seba tak, aby neboli zachytené,“ povedal. „Je to ako potopiť ruku do guľôčkovej jamy. Ak ju pretiahnete, guľôčky sa usporiadajú okolo vašej ruky.“

Vedci experimentovali so štyrmi rôznymi typmi baktérií (vrátane jedného, ​​ktorý pomáha vytvárať štipľavú chuť kombuchy), aby zistili, ako rastú v troch rozmeroch.

„Zmenili sme typy buniek, podmienky živín a vlastnosti hydrogélu, “ povedal Datta. Výskumníci videli v každom prípade rovnaké hrubé rastové vzorce. „Systematicky sme zmenili všetky tieto parametre, ale zdá sa, že ide o všeobecný jav.“

Data povedal, že dva faktory zrejme spôsobujú rast v tvare karfiolu na povrchu kolónie. Po prvé, baktérie s vyššími hladinami živín alebo kyslíka budú rásť a množiť sa rýchlejšie ako baktérie v menej hojnom prostredí. Dokonca aj najkonzistentnejšie prostredia majú niektoré nerovnomerné hustoty živín a tieto rozdiely spôsobujú, že škvrny na povrchu kolónie sa posúvajú dopredu alebo zaostávajú. Toto sa opakuje v troch rozmeroch, čo spôsobuje, že kolónia baktérií vytvára hrbolčeky a uzliny, pretože niektoré podskupiny baktérií rastú rýchlejšie ako ich susedia.

Po druhé, vedci poznamenávajú, že pri 3D raste rastú a delia sa iba baktérie blízko povrchu kolónie. Zdá sa, že baktérie stlačené v strede kolónie upadajú do hibernačného stavu. Keďže baktérie vo vnútri nerástli a nedelili sa, vonkajšok nezaznamenal tlak, ktorý by spôsobil, že by sa rovnomerne rozpínali. Namiesto toho je jeho expanzia poháňaná hlavne rastom pozdĺž okraja kolónie. Rast pozdĺž okraja podlieha zmenám živín, ktoré nakoniec vedú k zakrpatenému a nepravidelnému rastu.

„Ak by bol rast rovnomerný a medzi baktériami vo vnútri kolónie a baktériami na periférii by nebol rozdiel, bolo by to ako naplnenie balóna,“ povedal Alejandro Martínez Calvo, postdoktorandský výskumník z Princetonskej univerzity a prvý autor článku. . „Tlak zvnútra vyplní akýkoľvek nepokoj na končatinách.“

Na vysvetlenie, prečo tento stres nebol prítomný, vedci pridali fluorescenčnú značku k proteínom, ktoré sa aktivujú v bunkách, keď rastú baktérie. Fluorescenčný proteín svieti, keď sú baktérie aktívne, a zostáva tmavý, keď nie sú. Pozorovaním kolónií vedci zistili, že baktérie na okraji kolónie boli jasne zelené, zatiaľ čo jadro zostalo tmavé.

„Kolónia sa v podstate organizuje do jadra a plášťa, ktoré sa správajú veľmi odlišným spôsobom,“ povedal Datta.

Teória, povedal Datta, je taká, že baktérie na okrajoch kolónie zachytávajú väčšinu živín a kyslíka, pričom zostáva len málo pre vnútorné baktérie.

„Myslíme si, že hibernujú, pretože sú hladní,“ povedal Datta, hoci varoval, že na preskúmanie je potrebný ďalší výskum.

Data povedali, že experimenty a matematické modely používané výskumníkmi zistili, že existuje horná hranica hrebeňov, ktoré sa vytvorili na povrchu kolónie. Hrboľatý povrch je výsledkom náhodných rozdielov v kyslíku a živinách v prostredí, ale náhodnosť býva rovnomerná v určitých medziach.

„Drsnosť má hornú hranicu toho, aká veľká môže byť – veľkosť ružičky, ak ju porovnáme s brokolicou,“ povedal. „Dokázali sme to predpovedať pomocou matematiky a zdá sa, že je to nevyhnutná vlastnosť rastu veľkých kolónií v 3D.“

Pretože rast baktérií má tendenciu sledovať podobný vzor ako rast kryštálov a iné dobre preštudované javy neživých materiálov, Datta povedal, že vedci boli schopní prispôsobiť štandardné matematické modely tak, aby odrážali rast baktérií. Povedal, že budúci výskum sa pravdepodobne zameria na lepšie pochopenie mechanizmov rastu, dôsledkov pre hrubé rastové formy fungovania kolónií a aplikovanie týchto lekcií na iné oblasti záujmu.

„V konečnom dôsledku nám táto práca poskytuje viac nástrojov na pochopenie a v konečnom dôsledku aj na kontrolu toho, ako baktérie rastú v prírode,“ povedal.

Odkaz: „Morfologická nestabilita a rastová hrubosť trojrozmerných bakteriálnych kolónií“ od Alejandra Martínez-Calva, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen a Sojit S-Data, 18. októbra 2022, dostupné tu. Zborník Národnej akadémie vied.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Štúdiu financovali National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, Pew Medical Scientists Fund a Human Frontier Science Program.