Prinstonas zinātnieki atrisina baktēriju noslēpumu

Pētnieki varēja novērot baktēriju koloniju nelīdzeno augšanu trīs dimensijās. Kredīts: Neil Adelantar/Princeton University

Pētnieki atklāja, ka baktēriju kolonijas veidojas trīs dimensijās ar raupjām, kristālam līdzīgām formām.

Baktēriju kolonijas laboratorijās bieži aug rindās uz Petri trauciņiem, taču līdz šim neviens nesaprata, kā kolonijas izkārtojas reālistiskākā 3D vidē, piemēram, audos un gēlos cilvēka ķermeņos vai augsnē un nogulumos vidē. Šīs zināšanas var būt svarīgas vides un medicīnas pētījumu attīstībai.

a Prinstonas universitāte Komanda tagad ir izstrādājusi veidu, kā uzraudzīt baktērijas 3D vidē. Viņi atklāja, ka, baktērijām augot, to kolonijas nepārtraukti veido brīnišķīgi robainas formas, kas atgādina sazarotu brokoļu galvu, kas ir daudz sarežģītāka par to, ko mēs redzam Petri trauciņā.

“Kopš baktērijas tika atklātas pirms vairāk nekā 300 gadiem, lielākā daļa laboratorijas pētījumu tās pētīja mēģenēs vai Petri trauciņos,” sacīja Prinstonas Universitātes ķīmijas un bioloģiskās inženierijas docents un pētījuma vadošais autors Sujit Datta. Tas drīzāk bija praktisku ierobežojumu, nevis zinātkāres trūkuma rezultāts. “Ja mēģināt vērot baktēriju augšanu audos vai augsnē, tās ir necaurredzamas, un jūs faktiski nevarat redzēt, ko dara kolonija. Tas bija īstais izaicinājums.”

Prinstonas baktēriju pētnieki

Pētnieki ir Sujit Datta, ķīmijas un bioloģiskās inženierijas docents, Alejandro Martínez Calvo, pēcdoktorantūras pētnieks un Ana Hancock, ķīmijas un bioloģiskās inženierijas maģistrantūras studente. Kredīts: Deivids Kellijs Krovs no Prinstonas universitātes

Datu pētniecības grupa atklāja šo uzvedību, izmantojot novatorisku eksperimentālu iestatījumu, kas ļauj viņiem veikt iepriekš nedzirdētus baktēriju koloniju novērojumus to dabiskajā, trīsdimensiju stāvoklī. Negaidīti zinātnieki ir atklājuši, ka savvaļas koloniju augšana konsekventi atgādina citas dabas parādības, piemēram, kristālu augšanu vai sala izplatīšanos uz logu stikla.

“Šāda veida robainas, sazarotas formas ir visuresošas, taču parasti tās ir saistītas ar nedzīvu sistēmu augšanu vai salipšanu,” sacīja Datta. “Mēs atklājām, ka augšanai 3D baktēriju kolonijās ir ļoti līdzīgs process, neskatoties uz to, ka tās ir organismu grupas.”

Šis jaunais skaidrojums par to, kā baktēriju kolonijas attīstās trīs dimensijās, nesen tika publicēts žurnālā Proceedings of the National Academy of Sciences. Datta un viņa kolēģi cer, ka viņu atklājumi palīdzēs veikt plašu baktēriju augšanas pētījumu klāstu, sākot no efektīvāku pretmikrobu līdzekļu radīšanas līdz farmācijas, medicīnas un vides pētījumiem, kā arī procedūrām, kas izmanto baktērijas rūpnieciskai lietošanai.

Ana Henkoka, Alehandro Martiness Kalvo un Sudžits Data

Prinstonas pētnieki laboratorijā. Kredīts: Deivids Kellijs Krovs no Prinstonas universitātes

“Fundamentālā līmenī mēs esam priecīgi, ka šis darbs atklāj pārsteidzošas saiknes starp formas un funkcijas attīstību bioloģiskajās sistēmās un nedzīvu augšanas procesu pētījumiem materiālu zinātnē un statistiskajā fizikā. Taču mēs arī uzskatām, ka šis jaunais ieskats kad un kur šūnas aug 3D formātā, tas interesēs ikvienu, kas interesējas par baktēriju augšanu, piemēram, vides, rūpniecības un biomedicīnas lietojumos,” sacīja Datta.

Vairākus gadus Datta pētnieku komanda ir izstrādājusi sistēmu, kas ļauj analizēt parādības, kas parasti būtu aizsegtas necaurspīdīgos apstākļos, piemēram, šķidrumu plūsma caur augsni. Komanda izmanto īpaši izstrādātus hidrogēlus, kas ir ūdeni absorbējoši polimēri, kas līdzīgi tiem, kas atrodami kontaktlēcās un želejās, kā matricas, lai atbalstītu baktēriju augšanu 3D formātā. Atšķirībā no parastajām hidrogēlu versijām, datu materiāli sastāv no ļoti mazām hidrogēla sfērām, kuras baktērijas viegli deformē, nodrošina brīvu skābekļa un barības vielu pāreju, kas atbalsta baktēriju augšanu un ir caurspīdīgas pret gaismu.

“Tā ir kā lodīšu bedre, kurā katra bumbiņa ir atsevišķs hidrogēls. Tā ir mikroskopiska, tāpēc to īsti nevar redzēt,” sacīja Datta. Pētnieku grupa kalibrēja hidrogēla sastāvu, lai atdarinātu augsnes vai audu struktūru. Hidrogēls ir pietiekami spēcīga, lai atbalstītu baktēriju koloniju augšanu, neradot rezistenci. Pietiekami, lai ierobežotu augšanu.

“Baktēriju kolonijām augot hidrogēla matricā, tās var viegli pārkārtot globulas sev apkārt, lai tās netiktu iesprostotas,” viņš teica. “Tas ir kā iegremdēt roku lodīšu bedrē. Ja izvelkat to cauri, bumbiņas pārkārtojas ap roku.”

Pētnieki eksperimentēja ar četriem dažādu veidu baktērijām (tostarp tādu, kas palīdz radīt kombučas asu garšu), lai redzētu, kā tās auga trīs dimensijās.

“Mēs mainījām šūnu tipus, uzturvielu apstākļus un hidrogēla īpašības,” sacīja Datta. Pētnieki visos gadījumos redzēja vienādus rupjus augšanas modeļus. “Mēs esam sistemātiski mainījuši visus šos parametrus, bet šķiet, ka tā ir vispārēja parādība.”

Dati liecina, ka divi faktori, šķiet, izraisa ziedkāpostu formas izaugumus uz kolonijas virsmas. Pirmkārt, baktērijas ar augstāku barības vielu vai skābekļa līmeni augs un vairosies ātrāk nekā tās, kas atrodas mazāk bagātīgā vidē. Pat viskonsekventākajā vidē ir daži nevienmērīgi barības vielu blīvumi, un šīs atšķirības liek plankumiem kolonijas virsmā virzīties uz priekšu vai atpalikt. Tas atkārtojas trīs dimensijās, izraisot baktēriju koloniju izciļņiem un mezgliņiem, jo ​​dažas baktēriju apakškopas aug ātrāk nekā to kaimiņi.

Otrkārt, pētnieki atzīmē, ka 3D augšanā aug un dalās tikai baktērijas, kas atrodas netālu no kolonijas virsmas. Šķiet, ka kolonijas centrā saspiestās baktērijas nonāk ziemas guļas stāvoklī. Tā kā iekšpusē esošās baktērijas neauga un nedalījās, ārpuse neizjuta spiedienu, kas liktu tai vienmērīgi izplesties. Tā vietā tās paplašināšanos galvenokārt veicina augšana gar kolonijas malu. Augšana gar malu ir pakļauta barības vielu izmaiņām, kas galu galā izraisa panīkušu un neregulāru augšanu.

“Ja augšana būtu vienmērīga un nebūtu atšķirības starp baktērijām kolonijā un perifērijā, tas būtu kā balona piepildīšana,” sacīja Prinstonas universitātes pēcdoktorantūras pētnieks un pirmais šī raksta autors Alehandro Martiness Kalvo. . “Spiediens no iekšpuses aizpildīs jebkuru satricinājumu uz ekstremitātēm.”

Lai izskaidrotu, kāpēc šī stresa nebija, pētnieki pievienoja fluorescējošu marķējumu olbaltumvielām, kas aktivizējas šūnās, kad baktērijas aug. Fluorescējošais proteīns spīd, kad baktērijas ir aktīvas, un paliek tumšs, kad tās nav aktīvas. Novērojot kolonijas, pētnieki redzēja, ka baktērijas kolonijas malās bija spilgti zaļas, bet kodols palika tumšs.

“Kolonija būtībā organizē sevi kodolā un apvalkā, kas uzvedas ļoti dažādi,” sacīja Datta.

Teorija, sacīja Datta, ir tāda, ka baktērijas kolonijas malās uzņem lielāko daļu barības vielu un skābekļa, atstājot maz iekšējām baktērijām.

“Mēs domājam, ka viņi guļ ziemas miegā, jo ir izsalkuši,” sacīja Datta, lai gan viņš brīdināja, ka ir nepieciešams vairāk pētījumu, lai to izpētītu.

Dati teica, ka pētnieku izmantotie eksperimenti un matemātiskie modeļi atklāja, ka kolonijas virsmās veidojās augšējā robeža. Nelīdzenā virsma ir nejaušu skābekļa un barības vielu atšķirību rezultāts vidē, bet nejaušība mēdz būt pat noteiktās robežās.

“Nelīdzenumam ir augšējā robeža, cik liela tā var būt – zieda izmērs, ja salīdzinām to ar brokoļiem,” viņš teica. “Mēs to varējām paredzēt ar matemātiku, un šķiet, ka tā ir neizbēgama lielu koloniju pieauguma iezīme 3D formātā.”

Tā kā baktēriju augšana mēdz sekot līdzīgam modelim kristālu augšanai un citām labi pētītām nedzīvo materiālu parādībām, Datta teica, ka pētnieki varēja pielāgot standarta matemātiskos modeļus, lai atspoguļotu baktēriju augšanu. Viņš teica, ka turpmākie pētījumi, visticamāk, koncentrēsies uz labāku izpratni par augšanas mehānismiem, ietekmi uz koloniju funkcionēšanas aptuvenām augšanas formām un šo mācību pielietošanu citās interešu jomās.

“Galu galā šis darbs dod mums vairāk instrumentu, lai saprastu un galu galā kontrolētu, kā baktērijas aug dabā,” viņš teica.

Atsauce: “Trīsdimensiju baktēriju koloniju augšanas morfoloģiskā nestabilitāte un rupjība”, autors Alejandro Martinez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen un Sojit S-Data, 2022. gada 18. oktobris, pieejams šeit. Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Pētījumu finansēja Nacionālais zinātnes fonds, Ņūdžersijas veselības fonds, Nacionālie veselības institūti, Ērika un Vendija Šmita transformācijas tehnoloģiju fonds, Pew medicīnas zinātnieku fonds un Human Frontier Science Programme.

READ  Kosmosa akmens ir 25 000 USD vērts, ja jūs varat to atrast uz Zemes

Angelica Johnson

"Tīmekļa praktizētājs. Sašutinoši pazemīgs ēdiena entuziasts. Lepns twitter advokāts. Pētnieks."

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta. Obligātie lauki ir atzīmēti kā *

Back to top