Ученые из Принстона разгадывают загадку бактерий

Исследователи обнаружили, что колонии бактерий формируются в трех измерениях с шероховатой кристаллической формой.

Бактериальные колонии часто растут линиями на чашках Петри в лабораториях, но до сих пор никто не понимал, как колонии располагаются в более реалистичных трехмерных средах, таких как ткани и гели в человеческом теле или почва и отложения в окружающей среде. Эти знания могут быть важны для продвижения экологических и медицинских исследований.

а Университет Принстон В настоящее время команда разработала способ мониторинга бактерий в трехмерной среде. Они обнаружили, что по мере роста бактерий их колонии постоянно образуют удивительно зазубренные формы, напоминающие разветвленную головку брокколи, гораздо более сложную, чем то, что мы видим в чашке Петри.

«С тех пор, как бактерии были открыты более 300 лет назад, большинство лабораторных исследований изучали их в пробирках или чашках Петри», — сказал Суджит Датта, доцент кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета и ведущий автор исследования. Это было результатом практических ограничений, а не отсутствия любопытства. «Если вы попытаетесь наблюдать за ростом бактерий в тканях или в почве, они непрозрачны, и вы не сможете увидеть, что делает колония. Это было настоящей проблемой».

Исследователями являются Суджит Датта, доцент кафедры химической и биологической инженерии, Алехандро Мартинес Кальво, научный сотрудник, и Ана Хэнкок, аспирантка в области химической и биологической инженерии. Фото: Дэвид Келли Кроу из Принстонского университета.

Исследовательская группа Дейты обнаружила это поведение, используя новаторскую экспериментальную установку, которая позволяет им проводить ранее неслыханные наблюдения за бактериальными колониями в их естественном трехмерном состоянии. Неожиданно ученые обнаружили, что рост диких колоний постоянно напоминает другие природные явления, такие как рост кристаллов или распространение инея на оконных стеклах.

«Эти типы зазубренных, ветвящихся форм повсеместно распространены в природе, но обычно в контексте растущих или слипающихся неодушевленных систем», — сказал Датта. «Мы обнаружили, что рост трехмерных бактериальных колоний демонстрирует очень похожий процесс, несмотря на то, что это группы организмов».

Это новое объяснение того, как колонии бактерий развиваются в трех измерениях, было недавно опубликовано в журнале Труды Национальной академии наук. Датта и его коллеги надеются, что их открытия помогут широкому спектру исследований роста бактерий, от создания более эффективных противомикробных препаратов до фармацевтических, медицинских и экологических исследований, а также процедур, использующих бактерии для промышленного использования.

Принстонские исследователи в лаборатории. Фото: Дэвид Келли Кроу из Принстонского университета.

«На фундаментальном уровне мы взволнованы тем, что эта работа раскрывает удивительные связи между эволюцией формы и функции в биологических системах и исследованиями процессов роста неживых в материаловедении и статистической физике. Но мы также считаем, что это новое понимание Когда и где клетки растут в 3D, это будет интересно любому, кто интересуется ростом бактерий, например, в экологических, промышленных и биомедицинских приложениях», — сказал Датта.

В течение нескольких лет исследовательская группа Датты разрабатывала систему, которая позволяет им анализировать явления, которые обычно скрыты в непрозрачных условиях, например поток жидкости через почву. Команда использует специально разработанные гидрогели, которые представляют собой водопоглощающие полимеры, подобные тем, которые содержатся в контактных линзах и желе, в качестве матриц для поддержки роста бактерий в 3D. В отличие от обычных вариантов гидрогелей, материалы Data состоят из очень маленьких сфер гидрогеля, которые легко деформируются бактериями, пропускают кислород и питательные вещества, поддерживающие рост бактерий, и прозрачны для света.

«Это похоже на яму для шариков, где каждый шарик представляет собой отдельный гидрогель. Он микроскопический, поэтому вы не можете его увидеть», — сказал Датта. Исследовательская группа откалибровала состав гидрогеля, чтобы он имитировал структуру почвы или ткани. Гидрогель достаточно сильны, чтобы поддерживать рост колоний бактерий, не вызывая резистентности, достаточны для ограничения роста.

«Поскольку бактериальные колонии растут в матрице гидрогеля, они могут легко перестраивать глобулы вокруг себя, чтобы не оказаться в ловушке», — сказал он. «Это похоже на то, как если бы вы опустили руку в яму с шариками. Если вы вытащите ее, шарики перестроятся вокруг вашей руки».

Исследователи экспериментировали с четырьмя различными типами бактерий (в том числе с тем, который помогает создать острый вкус чайного гриба), чтобы увидеть, как они растут в трех измерениях.

«Мы изменили типы клеток, условия питания и свойства гидрогеля», — сказал Датта. Исследователи видели одни и те же грубые модели роста в каждом случае. «Мы систематически меняли все эти параметры, но это, похоже, общее явление».

Данные говорят, что два фактора, по-видимому, вызывают рост в форме цветной капусты на поверхности колонии. Во-первых, бактерии с более высоким уровнем питательных веществ или кислорода будут расти и размножаться быстрее, чем бактерии в менее богатой среде. Даже самые стабильные среды имеют некоторую неравномерность плотности питательных веществ, и эти различия заставляют пятна на поверхности колонии двигаться вперед или отставать. Это повторяется в трех измерениях, в результате чего колония бактерий образует бугорки и узелки, поскольку некоторые подмножества бактерий растут быстрее, чем их соседи.

Во-вторых, исследователи отмечают, что при трехмерном росте растут и делятся только бактерии вблизи поверхности колонии. Бактерии, раздавленные в центре колонии, похоже, впадают в спящее состояние. Поскольку бактерии внутри не росли и не делились, внешняя оболочка не подвергалась давлению, которое заставляло бы ее равномерно расширяться. Вместо этого его расширение в основном обусловлено ростом вдоль края колонии. Рост вдоль края подвержен изменениям питательных веществ, что в конечном итоге приводит к задержке роста и неравномерности роста.

«Если бы рост был равномерным и не было бы никакой разницы между бактериями внутри колонии и бактериями на периферии, это было бы похоже на наполнение воздушного шара», — сказал Алехандро Мартинес Кальво, научный сотрудник Принстонского университета и первый автор статьи. . «Давление изнутри заполнит любое смятение на конечностях».

Чтобы объяснить, почему этого стресса не было, исследователи добавили флуоресцентную метку к белкам, которые становятся активными в клетках при росте бактерий. Флуоресцентный белок светится, когда бактерии активны, и остается темным, когда они не активны. Наблюдая за колониями, исследователи увидели, что бактерии на краю колонии были ярко-зелеными, а ядро ​​оставалось темным.

«Колония в основном состоит из ядра и оболочки, которые ведут себя совершенно по-разному», — сказал Датта.

Теория, по словам Датты, заключается в том, что бактерии на краях колонии забирают большую часть питательных веществ и кислорода, оставляя мало для внутренних бактерий.

«Мы думаем, что они впадают в спячку, потому что голодны», — сказал Датта, хотя и предупредил, что для изучения этого необходимы дополнительные исследования.

Данные говорят, что эксперименты и математические модели, использованные исследователями, показали, что существует верхний предел гребней, которые образуются на поверхности колонии. Бугристая поверхность является результатом случайных различий в кислороде и питательных веществах в окружающей среде, но эта случайность, как правило, находится в определенных пределах.

«У шероховатости есть верхний предел того, насколько большим он может быть — размер соцветия, если мы сравним его с брокколи», — сказал он. «Мы смогли предсказать это с помощью математики, и это кажется неизбежной чертой роста больших колоний в 3D».

Поскольку рост бактерий имеет тенденцию следовать схеме, аналогичной росту кристаллов и другим хорошо изученным явлениям неживых материалов, Датта сказал, что исследователи смогли адаптировать стандартные математические модели для отражения роста бактерий. Он сказал, что будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на лучшем понимании механизмов роста, последствиях для грубых форм роста функционирования колонии и применении этих уроков в других областях, вызывающих озабоченность.

«В конечном счете, эта работа дает нам больше инструментов для понимания и, в конечном счете, контроля над тем, как бактерии растут в природе», — сказал он.

Ссылка: «Морфологическая нестабильность и грубость роста трехмерных бактериальных колоний» Алехандро Мартинес-Кальво, Тапумой Бхаттачарджи, Р. Конан Пай, Хау Нджи Лу, Анна М. Хэнкок, Нед С. Wingreen и Sojit S-Data, 18 октября 2022 г., доступно здесь. Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом здравоохранения Нью-Джерси, Национальными институтами здравоохранения, Фондом трансформационных технологий Эрика и Венди Шмидт, Фондом ученых-медиков Пью и Научной программой Human Frontier.