Wetenschappers van Princeton lossen een bacterieel mysterie op

De onderzoekers ontdekten dat bacteriekolonies in drie dimensies worden gevormd met ruwe, kristalachtige vormen.

Bacteriële kolonies groeien vaak in rijen op petrischalen in laboratoria, maar tot nu toe begreep niemand hoe kolonies zich rangschikken in meer realistische 3D-omgevingen, zoals weefsels en gels in menselijke lichamen of grond en sediment in de omgeving. Deze kennis kan belangrijk zijn voor de vooruitgang van milieu- en medisch onderzoek.

a Princeton Universiteit Het team heeft nu een manier ontwikkeld om bacteriën in 3D-omgevingen te monitoren. Ze ontdekten dat terwijl bacteriën groeien, hun kolonies voortdurend wonderbaarlijk gekartelde vormen vormen die lijken op een vertakte kop broccoli, veel complexer dan wat we in een petrischaal zien.

“Sinds bacteriën meer dan 300 jaar geleden werden ontdekt, heeft het meeste laboratoriumonderzoek ze in reageerbuizen of op petrischalen bestudeerd”, zegt Sujit Datta, assistent-professor chemische en biologische engineering aan Princeton University en hoofdauteur van het onderzoek. Dit was eerder het gevolg van praktische beperkingen dan van een gebrek aan nieuwsgierigheid. “Als je bacteriën probeert te zien groeien in weefsel of in de grond, zijn deze ondoorzichtig en kun je niet echt zien wat de kolonie aan het doen is. Dat was de echte uitdaging.”

De onderzoekers zijn Sujit Datta, assistent-professor chemische en biologische technologie, Alejandro Martínez Calvo, postdoctoraal onderzoeker, en Ana Hancock, afgestudeerde student chemische en biologische technologie. Credits: David Kelly Crowe van Princeton University

De onderzoeksgroep van Data ontdekte dit gedrag met behulp van een baanbrekende experimentele opstelling waarmee ze voorheen ongehoorde waarnemingen konden doen van bacteriekolonies in hun natuurlijke, driedimensionale staat. Onverwacht hebben wetenschappers ontdekt dat de groei van wilde kolonies consequent lijkt op andere natuurlijke fenomenen zoals kristalgroei of rijpvorming op vensterruiten.

“Dit soort gekartelde, vertakkende vormen zijn alomtegenwoordig van aard, maar meestal in de context van groeiende of klonterende levenloze systemen,” zei Datta. “Wat we ontdekten, is dat de groei in 3D-bacteriekolonies een zeer vergelijkbaar proces vertoont, ondanks het feit dat dit groepen organismen zijn.”

Deze nieuwe verklaring van hoe bacteriekolonies in drie dimensies evolueren, is onlangs in het tijdschrift gepubliceerd Procedures van de National Academy of Sciences. Datta en zijn collega’s hopen dat hun ontdekkingen zullen helpen bij een breed scala aan onderzoek naar bacteriegroei, van het creëren van effectievere antimicrobiële middelen tot farmaceutisch, medisch en milieuonderzoek, evenals procedures die bacteriën benutten voor industrieel gebruik.

Princeton-onderzoekers in het lab. Credits: David Kelly Crowe van Princeton University

“Op een fundamenteel niveau zijn we verheugd dat dit werk verrassende verbanden onthult tussen de evolutie van vorm en functie in biologische systemen en studies van niet-levende groeiprocessen in materiaalwetenschap en statistische fysica. Maar we geloven ook dat dit nieuwe inzicht in wanneer en waar cellen in 3D groeien, zal interessant zijn voor iedereen die geïnteresseerd is in bacteriegroei, zoals in milieu-, industriële en biomedische toepassingen, “zei Datta.

Het onderzoeksteam van Datta is al een aantal jaren bezig met de ontwikkeling van een systeem waarmee ze fenomenen kunnen analyseren die normaal verborgen blijven onder ondoorzichtige omstandigheden, zoals de stroming van vloeistoffen door de grond. Het team gebruikt speciaal ontworpen hydrogels, dit zijn waterabsorberende polymeren vergelijkbaar met die in contactlenzen en gelei, als matrices om de groei van bacteriën in 3D te ondersteunen. In tegenstelling tot de gangbare versies van hydrogels, bestaan ​​Data-materialen uit zeer kleine bolletjes hydrogel die gemakkelijk kunnen worden vervormd door bacteriën, vrije doorgang van zuurstof en voedingsstoffen mogelijk maken die bacteriegroei ondersteunen en transparant zijn voor licht.

“Het is als een ballenbak waar elke bal een individuele hydrogel is. Het is microscopisch klein, dus je kunt het niet echt zien”, zei Datta. Het onderzoeksteam heeft de samenstelling van de hydrogel gekalibreerd om de structuur van grond of weefsel na te bootsen. is sterk genoeg om de groei van bacteriekolonies te ondersteunen zonder resistentie te introduceren, voldoende om de groei te beperken.

“Terwijl bacteriekolonies in de hydrogelmatrix groeien, kunnen ze de bolletjes gemakkelijk om zichzelf heen herschikken, zodat ze niet vast komen te zitten”, zei hij. “Het is alsof je je arm in een ballenbak laat zakken. Als je hem er doorheen trekt, herschikken de ballen zich rond je arm.”

De onderzoekers experimenteerden met vier verschillende soorten bacteriën (waaronder een die de scherpe smaak van kombucha helpt creëren) om te zien hoe ze in drie dimensies groeiden.

“We hebben de celtypen, de voedingscondities en de eigenschappen van de hydrogel veranderd”, zei Datta. De onderzoekers zagen telkens dezelfde grove groeipatronen. “We hebben al deze parameters systematisch veranderd, maar dit lijkt een algemeen fenomeen te zijn.”

Gegevens zeiden dat twee factoren bloemkoolvormige gezwellen op het oppervlak van de kolonie lijken te veroorzaken. Ten eerste zullen bacteriën met hogere niveaus van voedingsstoffen of zuurstof sneller groeien en zich vermenigvuldigen dan die in een minder overvloedige omgeving. Zelfs de meest consistente omgevingen hebben ongelijke nutriëntendichtheden, en deze verschillen zorgen ervoor dat plekken in het oppervlak van de kolonie naar voren schuiven of achterblijven. Dit herhaalt zich in drie dimensies, waardoor de kolonie bacteriën bulten en knobbeltjes vormt, aangezien sommige subgroepen van bacteriën sneller groeien dan hun buren.

Ten tweede merken de onderzoekers op dat bij 3D-groei alleen bacteriën nabij het oppervlak van de kolonie groeien en delen. De bacteriën die in het midden van de kolonie zijn geplet, lijken in een winterslaaptoestand te dalen. Omdat de bacteriën binnenin niet groeiden en zich niet deelden, ondervond de buitenkant geen druk waardoor het gelijkmatig zou uitzetten. In plaats daarvan wordt de uitbreiding voornamelijk gedreven door groei langs de rand van de kolonie. De groei langs de rand is onderhevig aan veranderingen in voedingsstoffen die uiteindelijk leiden tot onvolgroeide en grillige groei.

“Als de groei uniform was en er geen verschil was tussen de bacteriën in de kolonie en die aan de rand, zou het zijn alsof je een ballon vult”, zegt Alejandro Martínez Calvo, een postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University en eerste auteur van het artikel. . “De druk van binnenuit zal elke onrust op de extremiteiten opvullen.”

Om te verklaren waarom deze stress niet aanwezig was, voegden de onderzoekers een fluorescerende tag toe aan eiwitten die actief worden in cellen wanneer bacteriën groeien. Het fluorescerende eiwit gloeit als de bacteriën actief zijn en blijft donker als ze niet actief zijn. Door de kolonies te observeren, zagen de onderzoekers dat de bacteriën aan de rand van de kolonie heldergroen waren, terwijl de kern donker bleef.

“De kolonie organiseert zichzelf in feite in een kern en een schaal die zich op heel verschillende manieren gedragen,” zei Datta.

De theorie, zei Datta, is dat de bacteriën aan de randen van de kolonie de meeste voedingsstoffen en zuurstof opnemen, waardoor er weinig overblijft voor de binnenste bacteriën.

“We denken dat ze in winterslaap gaan omdat ze honger hebben”, zei Datta, hoewel hij waarschuwde dat er meer onderzoek nodig is om dit te onderzoeken.

Gegevens zeiden dat experimenten en wiskundige modellen die door de onderzoekers werden gebruikt, ontdekten dat er een bovengrens was aan de richels die zich op de oppervlakken van de kolonie vormden. Het hobbelige oppervlak is het resultaat van willekeurige verschillen in zuurstof en voedingsstoffen in de omgeving, maar de willekeur blijft zelfs binnen bepaalde grenzen.

“De ruwheid heeft een bovengrens voor hoe groot het kan zijn – de grootte van een roos als we het vergelijken met een broccoli,” zei hij. “We konden dit voorspellen met wiskunde, en het lijkt een onvermijdelijk kenmerk te zijn van de groei van grote kolonies in 3D.”

Omdat bacteriegroei de neiging heeft om een ​​vergelijkbaar patroon te volgen als kristalgroei en andere goed bestudeerde fenomenen van niet-levende materialen, zei Datta dat de onderzoekers standaard wiskundige modellen konden aanpassen om bacteriegroei weer te geven. Hij zei dat toekomstig onderzoek zich waarschijnlijk zal richten op een beter begrip van de mechanismen achter groei, de implicaties voor ruwe groeivormen van het functioneren van kolonies, en het toepassen van deze lessen op andere interessegebieden.

“Uiteindelijk geeft dit werk ons ​​meer hulpmiddelen om te begrijpen en uiteindelijk te controleren hoe bacteriën in de natuur groeien”, zei hij.

Referentie: “Morfologische instabiliteit en groeiruwheid van driedimensionale bacteriekolonies” door Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen en Sojit S-Data, 18 oktober 2022, hier beschikbaar. Procedures van de National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation, de New Jersey Health Foundation, de National Institutes of Health, het Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, het Pew Medical Scientists Fund en het Human Frontier Science Program.