Прінстонські вчені розгадують таємницю бактерій

Дослідники виявили, що колонії бактерій утворюються в трьох вимірах із грубою, кристалоподібною формою.

Бактеріальні колонії часто ростуть лініями на чашках Петрі в лабораторіях, але досі ніхто не розумів, як колонії влаштовуються в більш реалістичних тривимірних середовищах, таких як тканини та гелі в людських тілах або ґрунт і осад у навколишньому середовищі. Ці знання можуть бути важливими для просування екологічних і медичних досліджень.

a Прінстонський університет Зараз команда розробила спосіб моніторингу бактерій у 3D-середовищі. Вони виявили, що в міру росту бактерій їхні колонії постійно утворюють дивовижні зубчасті форми, що нагадують розгалужену головку брокколі, набагато складнішу, ніж те, що ми бачимо в чашці Петрі.

«Оскільки бактерії були відкриті понад 300 років тому, більшість лабораторних досліджень вивчали їх у пробірках або на чашках Петрі», — сказав Суджит Датта, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії Прінстонського університету та провідний автор дослідження. Це було результатом практичних обмежень, а не відсутності цікавості. “Якщо ви спробуєте спостерігати за ростом бактерій у тканинах або ґрунті, вони непрозорі, і ви не зможете побачити, що робить колонія. Це було справжньою проблемою”.

Дослідники: Суджит Датта, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії, Алехандро Мартінес Кальво, докторант, і Ана Хенкок, аспірантка з хімічної та біологічної інженерії. Авторство: Девід Келлі Кроу з Прінстонського університету

Дослідницька група Data виявила таку поведінку за допомогою новаторської експериментальної установки, яка дає їм змогу проводити нечувані раніше спостереження колоній бактерій у їх природному, тривимірному стані. Несподівано вчені виявили, що ріст диких колоній постійно нагадує інші природні явища, такі як ріст кристалів або іній, що поширюється на віконному склі.

«Ці типи зубчастих розгалужених форм є всюдисущими в природі, але зазвичай у контексті неживих систем, що ростуть або скупчуються», — сказав Датта. «Ми виявили, що зростання 3D-колоній бактерій демонструє дуже схожий процес, незважаючи на те, що це групи організмів».

Це нове пояснення того, як колонії бактерій еволюціонують у трьох вимірах, нещодавно було опубліковано в журналі Праці Національної академії наук. Датта та його колеги сподіваються, що їхні відкриття допоможуть широкому спектру досліджень росту бактерій, від створення більш ефективних протимікробних препаратів до фармацевтичних, медичних та екологічних досліджень, а також процедур, які використовують бактерії для промислового використання.

Прінстонські дослідники в лабораторії. Авторство: Девід Келлі Кроу з Прінстонського університету

“На фундаментальному рівні ми раді, що ця робота розкриває дивовижні зв’язки між еволюцією форми та функціонування біологічних систем і дослідженнями процесів росту неживої природи в матеріалознавстві та статистичній фізиці. Але ми також віримо, що це нове розуміння Коли і де клітини ростуть у 3D, буде цікаво будь-кому, хто цікавиться розвитком бактерій, наприклад, у застосуванні в навколишньому середовищі, промисловості та біомедицині», – сказав Датта.

Протягом кількох років дослідницька група Datta розробляла систему, яка дозволяє їм аналізувати явища, які зазвичай були б приховані в непрозорих умовах, наприклад, потік рідин через ґрунт. Команда використовує спеціально розроблені гідрогелі, які є водопоглинаючими полімерами, подібними до тих, що містяться в контактних лінзах і желе, як матриці для підтримки росту бактерій у 3D. На відміну від цих поширених версій гідрогелів, матеріали Data складаються з дуже маленьких сфер гідрогелю, які легко деформуються бактеріями, дозволяють вільно проходити кисень і поживні речовини, які підтримують ріст бактерій, і є прозорими для світла.

“Це схоже на яму з кульками, де кожна кулька є окремим гідрогелем. Він мікроскопічний, тому ви не можете його побачити”, – сказав Датта. Дослідницька група відкалібрувала склад гідрогелю, щоб імітувати структуру ґрунту або тканини. Гідрогель є достатньо сильним, щоб підтримувати ріст колонії бактерій, не створюючи резистентності, достатньо, щоб обмежити ріст.

«Коли бактеріальні колонії ростуть у гідрогелевій матриці, вони можуть легко переставляти глобули навколо себе, щоб не потрапити в пастку», — сказав він. “Це все одно, що занурити руку в яму з м’ячем. Якщо ви її протягнете, м’ячі переставляються навколо вашої руки”.

Дослідники експериментували з чотирма різними типами бактерій (включаючи одну, яка допомагає створити гострий смак чайного гриба), щоб побачити, як вони ростуть у трьох вимірах.

«Ми змінили типи клітин, умови поживних речовин і властивості гідрогелю», — сказав Датта. Дослідники спостерігали однакові моделі грубого росту в кожному випадку. «Ми систематично змінювали всі ці параметри, але це, здається, загальне явище».

Згідно з даними, два фактори викликають нарости у формі цвітної капусти на поверхні колонії. По-перше, бактерії з більш високим рівнем поживних речовин або кисню будуть рости і розмножуватися швидше, ніж бактерії в менш рясному середовищі. Навіть у найбільш узгодженому середовищі є деяка нерівномірна щільність поживних речовин, і ці відмінності призводять до того, що плями на поверхні колонії рухаються вперед або відстають. Це повторюється в трьох вимірах, змушуючи колонію бактерій утворювати горбки та вузлики, оскільки деякі підгрупи бактерій ростуть швидше, ніж їхні сусіди.

По-друге, дослідники відзначають, що при 3D-рості ростуть і діляться лише бактерії біля поверхні колонії. Здавлені в центрі колонії бактерії ніби впадають у сплячку. Оскільки бактерії всередині не росли і не ділилися, зовнішня сторона не зазнавала тиску, який би змусив їх рівномірно розширюватися. Натомість його розширення в основному обумовлено зростанням уздовж краю колонії. Ріст уздовж краю піддається змінам поживних речовин, що зрештою призводить до затримки та нерівномірного росту.

«Якби ріст був рівномірним і не було різниці між бактеріями всередині колонії та бактеріями на периферії, це було б схоже на наповнення повітряної кулі», — сказав Алехандро Мартінес Кальво, докторант Прінстонського університету та перший автор статті. . «Тиск зсередини заповнить будь-яке хвилювання кінцівок».

Щоб пояснити, чому цього стресу не було, дослідники додали флуоресцентну мітку до білків, які стають активними в клітинах, коли бактерії ростуть. Флуоресцентний білок світиться, коли бактерії активні, і залишається темним, коли вони неактивні. Спостерігаючи за колоніями, дослідники побачили, що бактерії на краю колонії були яскраво-зеленими, тоді як серцевина залишалася темною.

«Колонія в основному організовується в ядро ​​та оболонку, які поводяться дуже по-різному», — сказав Датта.

Теорія, за словами Датти, полягає в тому, що бактерії на краях колонії забирають більшість поживних речовин і кисню, залишаючи мало для внутрішніх бактерій.

«Ми вважаємо, що вони впадають у сплячку, тому що голодні», — сказав Датта, хоча він попередив, що для вивчення цього потрібні додаткові дослідження.

Згідно з даними, експерименти та математичні моделі, використані дослідниками, показали, що існує верхня межа хребтів, які утворилися на поверхні колонії. Вибоїста поверхня є результатом випадкових відмінностей кисню та поживних речовин у навколишньому середовищі, але випадковість має тенденцію бути навіть у певних межах.

«Шорсткість має верхню межу того, наскільки вона може бути — розмір квітки, якщо порівнювати її з брокколі», — сказав він. «Ми змогли передбачити це за допомогою математики, і, здається, це неминуча особливість зростання великих колоній у 3D».

Оскільки зростання бактерій має тенденцію слідувати подібній схемі росту кристалів та інших добре вивчених явищ неживих матеріалів, Датта сказав, що дослідники змогли адаптувати стандартні математичні моделі для відображення росту бактерій. Він сказав, що майбутні дослідження, ймовірно, будуть зосереджені на кращому розумінні механізмів росту, наслідків для грубих форм росту функціонування колонії та застосуванні цих уроків до інших проблемних областей.

«Зрештою, ця робота дає нам більше інструментів для розуміння та, зрештою, для контролю того, як бактерії ростуть у природі», — сказав він.

Довідка: «Морфологічна нестабільність і грубість росту тривимірних бактеріальних колоній» Алехандро Мартінес-Кальво, Тапумой Бхаттачарджі, Р. Конан Пай, Хау Нджі Лу, Анна М. Хенкок, Нед С. Wingreen and Sojit S-Data, 18 жовтня 2022 р., доступно тут. Праці Національної академії наук.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Дослідження фінансувалося Національним науковим фондом, Фондом охорони здоров’я Нью-Джерсі, Національним інститутом здоров’я, Фондом трансформаційних технологій Еріка та Венді Шмідта, Фондом медичних науковців Pew та науковою програмою Human Frontier.