Tyrėjai išsiaiškino, kad bakterijų kolonijos susidaro trijų matmenų grubiomis, į kristalą panašiomis formomis.

Laboratorijose bakterijų kolonijos dažnai auga linijomis ant Petri lėkštelių, tačiau iki šiol niekas nesuprato, kaip kolonijos išsidėsto tikroviškesnėje 3D aplinkoje, pvz., audiniai ir geliai žmogaus kūne arba dirva ir nuosėdos aplinkoje. Šios žinios gali būti svarbios aplinkos ir medicinos tyrimų pažangai.

a Prinstono universitetas Dabar komanda sukūrė būdą, kaip stebėti bakterijas 3D aplinkoje. Jie atrado, kad augant bakterijoms, jų kolonijos nuolat formuoja nuostabiai dantytas formas, primenančias šakotą brokolio galvutę, daug sudėtingesnę nei matome Petri lėkštelėje.

„Nuo tada, kai bakterijos buvo atrastos daugiau nei prieš 300 metų, dauguma laboratorinių tyrimų buvo tiriamos mėgintuvėliuose arba Petri lėkštelėse“, – sakė Prinstono universiteto chemijos ir biologijos inžinerijos docentas Sujit Datta ir pagrindinis tyrimo autorius. Tai buvo praktinių apribojimų, o ne smalsumo stokos rezultatas. „Jei bandote stebėti, kaip bakterijos auga audiniuose ar dirvožemyje, jos yra nepermatomos ir iš tikrųjų negalite pamatyti, ką kolonija daro. Tai buvo tikras iššūkis.”

Tyrėjai yra Sujit Datta, chemijos ir biologinės inžinerijos docentas, Alejandro Martínez Calvo, doktorantas ir Ana Hancock, chemijos ir biologijos inžinerijos magistrantė. Autorius: David Kelly Crowe iš Prinstono universiteto

Duomenų tyrimų grupė atrado šį elgesį naudodama novatorišką eksperimentinę sąranką, leidžiančią jiems atlikti anksčiau negirdėtus bakterijų kolonijų stebėjimus jų natūralioje trimatėje būsenoje. Netikėtai mokslininkai atrado, kad laukinių kolonijų augimas nuolat primena kitus gamtos reiškinius, tokius kaip kristalų augimas ar šerkšno plitimas ant langų stiklo.

„Šie dantytų, šakojančių formų tipai yra visur paplitę, bet dažniausiai augant ar kaupiant negyvas sistemas“, – sakė Datta. „Mes nustatėme, kad augimas 3D bakterijų kolonijose rodo labai panašų procesą, nepaisant to, kad tai yra organizmų grupės.”

Šis naujas paaiškinimas, kaip bakterijų kolonijos vystosi trimis dimensijomis, neseniai buvo paskelbtas žurnale Nacionalinės mokslų akademijos darbai. Datta ir jo kolegos tikisi, kad jų atradimai padės atlikti įvairius bakterijų augimo tyrimus – nuo ​​veiksmingesnių antimikrobinių medžiagų kūrimo iki farmacijos, medicinos ir aplinkos tyrimų, taip pat procedūrų, kuriomis bakterijos panaudojamos pramoniniam naudojimui.

Prinstono mokslininkai laboratorijoje. Autorius: David Kelly Crowe iš Prinstono universiteto

„Pagrindiniu lygmeniu džiaugiamės, kad šis darbas atskleidžia nuostabius ryšius tarp formos ir funkcijos evoliucijos biologinėse sistemose ir negyvojo augimo procesų tyrimų medžiagų mokslo ir statistinės fizikos srityse. Tačiau mes taip pat tikime, kad ši nauja įžvalga kada ir kur ląstelės auga 3D formatu, bus įdomu visiems, kurie domisi bakterijų augimu, pavyzdžiui, aplinkosaugos, pramonės ir biomedicinos taikymu“, – sakė Datta.

Kelerius metus „Datta“ tyrimų grupė kūrė sistemą, leidžiančią analizuoti reiškinius, kurie paprastai būtų uždengti nepermatomomis sąlygomis, pavyzdžiui, skysčių srautą per dirvą. Grupė naudoja specialiai sukurtus hidrogelius, kurie yra vandenį sugeriantys polimerai, panašūs į tuos, kurie randami kontaktiniuose lęšiuose ir drebučiuose, kaip matricas bakterijų augimui 3D palaikyti. Skirtingai nuo įprastų hidrogelių versijų, duomenų medžiagas sudaro labai mažos hidrogelio sferos, kurias bakterijos lengvai deformuoja, leidžia laisvai patekti deguoniui ir maistinėms medžiagoms, kurios palaiko bakterijų augimą ir yra skaidrios šviesai.

„Tai tarsi rutulio duobė, kurioje kiekvienas rutulys yra atskiras hidrogelis. Jis yra mikroskopinis, todėl jūs jo tikrai nematote”, – sakė Datta. Mokslininkų komanda kalibravo hidrogelio sudėtį, kad imituotų dirvožemio ar audinio struktūrą. Hidrogelis yra pakankamai stiprus, kad palaikytų bakterijų kolonijų augimą nesukeldamas atsparumo. Pakankamas augimui apriboti.

„Kadangi bakterijų kolonijos auga hidrogelio matricoje, jos gali lengvai pertvarkyti aplink save esančius rutuliukus, kad nebūtų įstrigę“, – sakė jis. „Tai tarsi įkišate ranką į kamuoliuko duobę. Jei ją ištrauksite, rutuliai persitvarko aplink ranką.”

Tyrėjai eksperimentavo su keturių skirtingų tipų bakterijomis (įskaitant tą, kuri padeda sukurti aštrų kombuchos skonį), kad pamatytų, kaip jos auga trimis matmenimis.

„Mes pakeitėme ląstelių tipus, maistines sąlygas ir hidrogelio savybes”, – sakė Datta. Tyrėjai kiekvienu atveju matė tuos pačius grubius augimo modelius. „Mes sistemingai keitėme visus šiuos parametrus, bet atrodo, kad tai yra bendras reiškinys.”

Duomenys rodo, kad žiedinio kopūsto formos augimą kolonijos paviršiuje sukelia du veiksniai. Pirma, bakterijos, turinčios didesnį maistinių medžiagų ar deguonies kiekį, augs ir dauginsis greičiau nei tos, kurios yra mažiau gausioje aplinkoje. Net pačiose nuosekliausiose aplinkose maistinių medžiagų tankis yra netolygus, todėl dėl šių skirtumų kolonijos paviršiaus dėmės juda į priekį arba atsilieka. Tai kartojasi trimis dimensijomis, todėl bakterijų kolonija formuoja iškilimus ir mazgelius, nes kai kurie bakterijų pogrupiai auga greičiau nei jų kaimynai.

Antra, mokslininkai pažymi, kad 3D augimo metu auga ir dalijasi tik šalia kolonijos paviršiaus esančios bakterijos. Atrodo, kad kolonijos centre suspaustos bakterijos nusileidžia į žiemos miego būseną. Kadangi viduje esančios bakterijos neaugo ir nesidalijo, išorė nepatyrė spaudimo, dėl kurio ji tolygiai išsiplėstų. Vietoj to, jos plėtimąsi daugiausia lemia augimas palei kolonijos pakraštį. Augimas išilgai krašto keičiasi maistinėmis medžiagomis, dėl kurių ilgainiui auga sulėtėjęs ir nepastovus augimas.

„Jei augimas būtų vienodas ir nebūtų skirtumo tarp bakterijų kolonijoje ir periferijoje, tai būtų tarsi baliono užpildymas“, – sakė Prinstono universiteto doktorantas Alejandro Martínez Calvo ir pirmasis šio straipsnio autorius. . „Spaudimas iš vidaus užpildys bet kokią sumaištį galūnėse.

Norėdami paaiškinti, kodėl šio streso nebuvo, mokslininkai pridėjo fluorescencinę žymę prie baltymų, kurie tampa aktyvūs ląstelėse augant bakterijoms. Fluorescuojantis baltymas šviečia, kai bakterijos yra aktyvios, ir išlieka tamsus, kai jų nėra. Stebėdami kolonijas, mokslininkai pastebėjo, kad bakterijos kolonijos pakraštyje buvo ryškiai žalios, o šerdis liko tamsi.

„Kolonija iš esmės organizuojasi į šerdį ir apvalkalą, kurie elgiasi labai skirtingai“, – sakė Datta.

Pasak Datta, teorija yra tokia, kad bakterijos kolonijos pakraščiuose pasiima daugumą maistinių medžiagų ir deguonies, o vidinėms bakterijoms lieka mažai.

„Manome, kad jie žiemoja, nes yra alkani“, – sakė Datta, nors perspėjo, kad norint tai ištirti, reikia atlikti daugiau tyrimų.

Duomenys teigė, kad eksperimentai ir matematiniai modeliai, kuriuos naudojo mokslininkai, nustatė, kad kolonijos paviršiuose susiformavo viršutinė riba. Nelygus paviršius yra atsitiktinių deguonies ir maistinių medžiagų skirtumų aplinkoje rezultatas, tačiau atsitiktinumas linkęs būti net tam tikrose ribose.

„Šiurkštumas turi viršutinę ribą, kokio dydžio jis gali būti – žiedyno dydį, jei palyginsime su brokoliais“, – sakė jis. „Mes galėjome tai numatyti matematikos pagalba, ir atrodo, kad tai yra neišvengiama didelių kolonijų augimo 3D savybė.”

Kadangi bakterijų augimas yra panašus į kristalų augimą ir kitus gerai ištirtus negyvų medžiagų reiškinius, Datta teigė, kad mokslininkai sugebėjo pritaikyti standartinius matematinius modelius, kad atspindėtų bakterijų augimą. Jis sakė, kad būsimi tyrimai greičiausiai bus skirti geresniam augimo mechanizmų supratimui, pasekmių grubioms kolonijų augimo formoms ir šių pamokų taikymui kitose susirūpinimą keliančiose srityse.

„Galiausiai šis darbas suteikia mums daugiau įrankių suprasti ir galiausiai kontroliuoti, kaip bakterijos auga gamtoje“, – sakė jis.

Nuoroda: „Trimačių bakterijų kolonijų morfologinis nestabilumas ir augimo šiurkštumas“, autoriai Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. „Wingreen“ ir „Sojit S-Data“, 2022 m. spalio 18 d., pasiekiama čia. Nacionalinės mokslų akademijos darbai.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Tyrimą finansavo Nacionalinis mokslo fondas, Naujojo Džersio sveikatos fondas, Nacionaliniai sveikatos institutai, Erico ir Wendy Schmidt transformacinių technologijų fondas, Pew medicinos mokslininkų fondas ir Human Frontier Science programa.