300 лет исследований: ученые из Принстона разгадывают загадку бактерии

 

Исследователи смогли наблюдать комковатый рост бактериальных колоний в трех измерениях.(Фото: scitechdaily.com)

Исследователи обнаружили, что колонии бактерий формируются в трех измерениях в грубых формах, похожих на кристаллы.

Бактериальные колонии часто растут полосами на чашках Петри в лабораториях, но никто не понимает, как колонии располагаются в более реалистичных трехмерных (3-D) средах, таких как ткани и гели в организме человека или почвы и отложения в окружающей среде. , до нынешнего момента. Эти знания могут быть важны для продвижения экологических и медицинских исследований.

Команда Принстонского университета разработала метод наблюдения за бактериями в трехмерной среде. Они обнаружили, что, когда бактерии растут, их колонии постоянно образуют увлекательные грубые формы, напоминающие разветвленную головку брокколи, гораздо более сложную, чем то, что видно в чашке Петри.

«С тех пор, как бактерии были открыты более 300 лет назад, большинство лабораторных исследований изучали их в пробирках или на чашках Петри», — сказал Суджит Датта, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне и старший 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 действительно было проблемой».

Исследовательская группа Датты обнаружила это поведение, используя новаторскую экспериментальную установку, которая позволяет им делать 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 оконном стекле.

«Эти виды грубых разветвленных форм повсеместно распространены в природе, но, как правило, в контексте растущих или агломерирующих неживых систем», — сказал Датта. «Мы обнаружили, что колонии бактерий, растущие в 3D, демонстрируют очень похожий процесс, несмотря на то, что это коллективы живых организмов».

Это новое объяснение того, как колонии бактерий развиваются в трех измерениях, было недавно опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Датта и его коллеги надеются, что их открытия помогут в широком спектре исследований роста бактерий, от создания более эффективных противомикробных препаратов до фармацевтических, медицинских и экологических исследований, а также в процедурах, использующих бактерии для промышленного использования.

«На фундаментальном уровне мы рады, что эта работа раскрывает удивительные связи между развитием формы и функции в биологических системах и исследованиями процессов роста неживых животных в материаловедении и статистической физике. Но также мы думаем, что этот новый взгляд на то, когда и где клетки растут в 3D, будет интересен всем, 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, жидкость, протекающую через почву. Команда использует специально разработанные гидрогели, которые представляют собой водопоглощающие полимеры, подобные тем, что используются в желе и контактных линзах, в качестве матриц для поддержки роста бактерий в 3D. В отличие от обычных вариантов гидрогелей, материалы Датты состоят из чрезвычайно крошечных шариков гидрогеля, которые легко деформируются бактериями, пропускают кислород и питательные вещества, поддерживающие рост бактерий, и прозрачны для света.

«Это похоже на бассейн с шариками, где каждый шарик представляет собой отдельный гидрогель. Они микроскопические, поэтому их нельзя увидеть», — сказал Датта. Исследовательская группа откалибровала состав гидрогеля, чтобы имитировать структуру почвы или ткани. Гидрогель достаточно прочен, чтобы поддерживать растущую бактериальную колонию, не оказывая при этом достаточного сопротивления, чтобы сдерживать рост.

«По мере того, как колонии бактерий растут в матрице гидрогеля, они могут легко переставлять шарики вокруг себя, чтобы не оказаться в ловушке», — сказал он. «Это как засунуть руку в яму с мячами. Если вы протащите его, шарики перестроятся вокруг вашей руки».

Исследователи провели эксперименты с четырьмя различными видами бактерий (в том числе с тем, который помогает генерировать терпкий вкус чайного гриба), чтобы увидеть, как они растут в трех измерениях.

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

Датта сказал, что два фактора, по-видимому, вызывают рост в форме брокколи на поверхности колонии. Во-первых, бактерии, имеющие доступ к высоким уровням питательных веществ или кислорода, будут расти и размножаться быстрее, чем бактерии в менее богатой среде. Даже самые однородные среды имеют некоторую неравномерность плотности питательных веществ, и эти различия приводят к тому, что пятна на поверхности колонии вырываются вперед или отстают. Повторяясь в трех измерениях, это приводит к тому, что колония бактерий образует бугорки и узелки, поскольку некоторые подгруппы бактерий растут быстрее, чем их соседи.

Во-вторых, исследователи заметили, что при трехмерном росте росли и делились только бактерии, расположенные близко к поверхности колонии. Бактерии, теснившиеся в центре колонии, как бы впадали в спящее состояние. Поскольку бактерии внутри не росли и не делились, внешняя поверхность не подвергалась давлению, которое заставляло бы ее равномерно расширяться. Вместо этого его расширение в основном обусловлено ростом на самом краю колонии. А рост вдоль края подвержен изменениям питательных веществ, что в конечном итоге приводит к ухабистому и неравномерному росту.

«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 Принстона и первый автор статьи. «Давление изнутри заполнило бы любые возмущения на периферии».

Чтобы объяснить, почему этого давления не было, исследователи добавили флуоресцентную метку к белкам, которые становятся активными в клетках при росте бактерий. Флуоресцентный белок загорается, 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.

«По сути, колония самоорганизуется в ядро ​​и оболочку, которые ведут себя совершенно по-разному», — сказал Датта.

Датта сказал, что теория состоит в том, что бактерии на краях колонии поглощают большую часть питательных веществ и кислорода, оставляя мало для внутренних бактерий.

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

Датта сказал, что эксперименты и математические модели, использованные исследователями, показали, что существует верхний предел выпуклостей, которые образуются на поверхности колоний. Бугристая поверхность является результатом случайных изменений содержания кислорода и питательных веществ в окружающей среде, но случайность имеет тенденцию к выравниванию в определенных пределах.

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

Поскольку рост бактерий имел тенденцию следовать той же схеме, что и рост кристаллов и другие хорошо изученные явления неодушевленных 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 грубых форм роста для функционирования колонии и применении этих уроков в других областях, представляющих интерес.

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

Источник