A princetoni tudósok egy bakteriális rejtélyt oldanak meg

A kutatóknak három dimenzióban sikerült megfigyelniük a baktériumkolóniák csomós növekedését. Köszönetnyilvánítás: Neil Adelantar/Princeton Egyetem

A kutatók azt találták, hogy a baktériumkolóniák három dimenzióban képződnek kristályokra emlékeztető durva formákban.

A laboratóriumokban a baktériumtelepek gyakran csíkokban nőnek a Petri-csészéken, de senki sem értette, hogyan rendeződnek el a telepek valósághűbb háromdimenziós (3D) környezetben, például szövetekben és gélekben az emberi testekben vagy talajokban és üledékekben a környezetben. Most. Ezek az ismeretek fontosak lehetnek a környezeti és orvosi kutatások előmozdításához.

A Princeton Egyetem csapata most kifejlesztett egy módszert a baktériumok megfigyelésére 3D környezetben. Azt találták, hogy a baktériumok növekedésével a kolóniáik folyamatosan lenyűgöző, durva formákat alkotnak, amelyek egy elágazó brokkolifejre emlékeztetnek, sokkal összetettebbek, mint ami egy Petri-csészében látható.

“A baktériumok több mint 300 évvel ezelőtti felfedezése óta a legtöbb laboratóriumi kutatás kémcsövekben vagy Petri-csészékben vizsgálta őket” – mondta Sujit Datta, a Princeton vegyész- és biológiai mérnöki adjunktusa és a tanulmány vezető szerzője. Ez inkább a gyakorlati korlátoknak volt köszönhető, mint a kíváncsiság hiányának. “Ha megpróbálja látni a baktériumok növekedését a szövetekben vagy a talajban, azok átlátszatlanok, és nem igazán láthatja, mit csinál a kolónia. Ez volt a kihívás.”

Princetoni baktérium kutatók

Kutatók Sujit Datta, a kémiai és biológiai mérnöki adjunktus, Alejandro Martinez-Calvo, posztdoktori kutató és Anna Hancock, egy vegyész- és biológiai mérnöki végzettségű hallgató. Köszönetnyilvánítás: David Kelly Crow, a Princetoni Egyetemért

Datta kutatócsoportja felfedezte ezt a viselkedést egy úttörő kísérleti elrendezés segítségével, amely lehetővé tette számukra, hogy korábban hallatlan megfigyeléseket végezzenek a baktériumkolóniákról természetes, háromdimenziós állapotukban. A tudósok váratlanul felfedezték, hogy a vadon élő kolóniák növekedése következetesen hasonlít más természeti jelenségekre, mint például a kristályok növekedésére vagy a dér terjedésére az üvegtáblán.

“Az ilyen durva, elágazó formák a természetben mindenütt jelen vannak, de többnyire élőtlen rendszerek növekedésével vagy agglomerálódásával összefüggésben” – mondta Datta. “Azt találtuk, hogy a 3D-ben növekvő baktériumkolóniák nagyon hasonló folyamatot mutatnak, annak ellenére, hogy ezek élő szervezetek kollektívái.”

A baktériumkolóniák háromdimenziós fejlődésének új magyarázatát a közelmúltban tették közzé a folyóiratban Az Országos Tudományos Akadémia eljárásai. Datta és munkatársai remélik, hogy felfedezéseik a baktériumok szaporodásával kapcsolatos kutatások széles skáláját fogják segíteni, a hatékonyabb antimikrobiális szerek létrehozásától a gyógyszerészeti, orvosi és környezetvédelmi kutatásokig, valamint a baktériumokat ipari felhasználásra hasznosító eljárásokig.

Anna Hancock, Alejandro Martinez Calvo és Sujit Datta

Princetoni kutatók a laborban. Köszönetnyilvánítás: David Kelly Crow, a Princetoni Egyetemért

„Alapvetően örülünk, hogy ez a munka meglepő összefüggéseket tár fel a biológiai rendszerek forma- és funkciófejlődése, valamint az élettelen növekedési folyamatok anyagtudományi és statisztikai fizika tanulmányozása között. De azt is gondoljuk, hogy ez az új nézet arra vonatkozóan, hogy mikor és hol nőnek a sejtek 3D-ben, mindenki számára érdekes lesz, aki érdeklődik a baktériumok szaporodása iránt, például a környezetvédelmi, ipari és orvosbiológiai alkalmazásokban” – mondta Datta.

A Datta kutatócsoportja már több éve fejleszt egy olyan rendszert, amely lehetővé teszi olyan jelenségek elemzését, amelyek általában átlátszatlan környezetben rejtőznek, mint például a talajon átáramló folyadék. A csapat speciálisan tervezett hidrogéleket használ, amelyek a zselében és a kontaktlencsékben használthoz hasonló vízelnyelő polimerek, mátrixként a baktériumok 3D-s növekedésének támogatására. A hidrogélek általános változataitól eltérően a Datta anyagai rendkívül kis hidrogélgömbökből állnak, amelyeket a baktériumok könnyen deformálnak, így a baktériumok növekedését elősegítő oxigén és tápanyagok szabadon átjutnak rajta, és átlátszóak a fény számára.

„Olyan ez, mint egy labdagödör, ahol minden egyes labda egyedi hidrogél. Mikroszkopikus méretűek, így nem igazán lehet látni őket” – mondta Datta. A kutatócsoport úgy kalibrálta a hidrogél összetételét, hogy utánozza a talaj vagy a szövet szerkezetét. A hidrogél elég erős ahhoz, hogy támogassa a növekvő baktériumkolóniát anélkül, hogy elegendő ellenállást biztosítana a növekedés korlátozásához.

“Amint a baktériumkolóniák növekednek a hidrogél mátrixban, könnyen átrendezhetik a golyókat körülötte, hogy ne akadjanak el” – mondta. „Olyan ez, mintha bedobná a karját a labdagödörbe. Ahogy áthúzod, a golyók átrendeződnek a karod körül.

A kutatók négy különböző típusú baktériummal végeztek kísérleteket (beleértve azt is, amely segít a kombucha csípős ízének kialakításában), hogy megtudják, hogyan nőnek három dimenzióban.

“Megváltoztattuk a sejttípusokat, a táplálkozási feltételeket, a hidrogél tulajdonságait” – mondta Datta. A kutatók újra és újra ugyanazokat a durva növekedési mintákat látták. “Szisztematikusan megváltoztattuk ezeket a paramétereket, de ez általános jelenségnek tűnik.”

Datta szerint két tényező okozta a brokkoli alakú növekedést egy kolónia felszínén. Először is, azok a baktériumok, amelyek nagy mennyiségű tápanyaghoz vagy oxigénhez férnek hozzá, gyorsabban növekednek és szaporodnak, mint a kevésbé bőséges környezetben. Még a legegyenletesebb környezetben is egyenetlen a tápanyagsűrűség, és ezek a változások a kolónia felszínén lévő foltok előre- vagy hátramozdulását okozzák. Ez három dimenzióban ismétlődően a baktériumkolóniában dudorokat és csomókat hoz létre, mivel a baktériumok egyes alcsoportjai gyorsabban nőnek, mint szomszédaik.

Másodszor, a kutatók megjegyezték, hogy a háromdimenziós növekedés során csak a baktériumok növekedtek és osztódtak a kolónia felszínéhez közel. A telep közepébe zsúfolt baktériumok mintha alvó állapotba bomlottak volna. Mivel a benne lévő baktériumok nem növekedtek és nem osztódtak, a külső felület nem volt kitéve olyan nyomásnak, amely egyenletesen terjeszkedne. Ehelyett a terjeszkedést főként a kolónia legszélén történő növekedés hajtja. A szél mentén történő növekedés pedig ki van téve a tápanyag-ingadozásoknak, ami végül göröngyös, egyenetlen növekedést eredményez.

“Ha a növekedés egyenletes lenne, és nem lenne különbség a kolóniában és a periférián lévő baktériumok között, az olyan lenne, mintha egy léggömböt töltenének meg” – mondta Alejandro Martinez-Calvo, a Princeton posztdoktori kutatója és a tanulmány első szerzője. “A belülről jövő nyomás kitölti a periférián lévő zavarokat.”

Hogy megmagyarázzák, miért nincs ilyen nyomás, a kutatók fluoreszcens jelölést adtak a fehérjékhez, amelyek akkor válnak aktívvá a sejtekben, amikor a baktériumok növekednek. A fluoreszkáló fehérje világít, ha a baktériumok aktívak, és sötét marad, ha inaktívak. A kolóniák megfigyelésekor a kutatók észrevették, hogy a telep perifériáján lévő baktériumok élénkzöldek, míg a mag sötét maradt.

“A kolónia lényegében egy magba és egy héjba szerveződik, amelyek nagyon eltérő módon viselkednek” – mondta Datta.

Datta szerint az elmélet szerint a telep szélein lévő baktériumok felszívják a legtöbb tápanyagot és oxigént, keveset hagyva a legbelső baktériumoknak.

“Úgy gondoljuk, hogy inaktívak, mert éheznek” – mondta Datta, bár figyelmeztetett, hogy további kutatásokra van szükség ennek kivizsgálásához.

Datta elmondta, hogy a kutatók által használt kísérletek és matematikai modellek megállapították, hogy a kolónia felszínén kialakuló dudoroknak van egy felső határa. A göröngyös felület a környezet oxigén- és tápanyagtartalmának véletlenszerű változásainak eredménye, de a véletlenszerűség határokon belül kiegyenlítődik.

“Az érdességnek van egy felső határa, hogy mekkora lehet – a rózsa mérete, ha a brokkolihoz hasonlítjuk” – mondta. “A matematika alapján ezt meg tudtuk jósolni, és úgy tűnik, hogy ez elkerülhetetlen jellemzője a 3D-ben növekvő nagy kolóniáknak.”

Mivel a baktériumok növekedése hasonló mintát követett, mint a kristálynövekedés és az élettelen anyagok más jól tanulmányozott jelenségei, Datta szerint a kutatók standard matematikai modelleket adaptálhatnak a baktériumok szaporodásának ábrázolására. Azt mondta, hogy a jövőbeli kutatások valószínűleg a növekedés mögött meghúzódó mechanizmusok jobb megértésére, a nyers növekedési formák kolóniák működésére gyakorolt ​​hatásának jobb megértésére, valamint ezeknek a tanulságoknak más érdeklődési területekre való alkalmazására fognak összpontosítani.

“Végső soron ez a munka több eszközt ad számunkra a baktériumok természetben való növekedésének megértéséhez és végső soron ellenőrzéséhez” – mondta.

Hivatkozás: „A növekvő 3D-s baktériumkolóniák morfológiai instabilitása és eldurvulása”, Alejandro Martínez-Calvo, Tapomoy Bhattacharjee, R. Kōnane Bay, Hao Nghi Luu, Anna M. Hancock, Ned S. Wingreen és Sujit S. Datta, október 18. 2022, Az Országos Tudományos Akadémia eljárásai.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

A tanulmányt a National Science Foundation, a New Jersey Health Foundation, a National Institutes of Health, az Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund, a Pew Biomedical Scholars Fund és a Human Frontier Science Program finanszírozta.

Leave a Comment

%d bloggers like this: