Wissenschaftler aus Princeton lösen ein bakterielles Rätsel

Die Forscher konnten das holprige Wachstum von Bakterienkolonien dreidimensional beobachten. Bildnachweis: Neil Adelantar/Princeton University

Die Forscher fanden heraus, dass sich die Bakterienkolonien in drei Dimensionen mit rauen, kristallähnlichen Formen bildeten.

Bakterienkolonien wachsen oft in Reihen auf Petrischalen in Labors, aber bis jetzt hat niemand verstanden, wie sich Kolonien in realistischeren 3D-Umgebungen wie Geweben und Gelen im menschlichen Körper oder umgebendem Boden und Sedimenten organisieren. Diese Informationen können für den Fortschritt der Umwelt- und medizinischen Forschung wichtig sein.

a Princeton University Das Team hat nun eine Möglichkeit entwickelt, Bakterien in 3D-Umgebungen zu überwachen. Sie entdeckten, dass ihre Kolonien, während die Bakterien wuchsen, kontinuierlich wundervolle gezackte Formen bildeten, die wie ein verzweigter Brokkolikopf aussahen, viel komplizierter als wir es in einer Petrischale sehen würden.

„Seit Bakterien vor mehr als 300 Jahren entdeckt wurden, hat die Laborforschung sie in Reagenzgläsern oder Petrischalen untersucht“, sagte Sujit Datta, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Princeton University und Hauptautor der Studie. Dies war eher auf praktische Einschränkungen als auf mangelnde Neugier zurückzuführen. „Wenn Sie versuchen, das Wachstum von Bakterien in Gewebe oder Boden zu beobachten, sind sie undurchsichtig und Sie können nicht wirklich sehen, was die Kolonie tut. Das war die eigentliche Herausforderung.“

Die Forscher sind Sujit Datta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen, Postdoktorand Alejandro Martínez Calvo und Ana Hancock, Doktorandin für Chemie- und Bioingenieurwesen. Bildnachweis: David Kelly Crowe von der Princeton University

Die Forschergruppe von Data entdeckte dieses Verhalten mit einem bahnbrechenden Versuchsaufbau, der es ihnen ermöglichte, bisher unerhörte Beobachtungen von Bakterienkolonien in ihrem natürlichen, dreidimensionalen Zustand zu machen. Unerwartet entdeckten die Wissenschaftler, dass das Wachstum wilder Kolonien anderen Naturphänomenen wie dem kontinuierlichen Wachstum von Kristallen oder der Ausbreitung von Eis auf Fensterglas ähnelte.

„Solche gezackten, verzweigten Formen sind in der Natur allgegenwärtig, aber oft im Zusammenhang mit dem Wachstum oder der Ansammlung unbelebter Systeme“, sagte Datta. Sagte. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass das Wachstum in 3-D-Bakterienkolonien einen sehr ähnlichen Prozess zeigt, obwohl es sich um Gruppen von Organismen handelt.“

Diese neue Erklärung dafür, wie sich Bakterienkolonien in drei Dimensionen entwickeln, wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Proceedings of the National Academy of Sciences. Datta und Kollegen hoffen, dass ihre Entdeckung ein breites Spektrum der Bakterienwachstumsforschung unterstützen wird, von der Schaffung wirksamerer antimikrobieller Mittel über die pharmazeutische, medizinische und Umweltforschung bis hin zu Verfahren, bei denen Bakterien für industrielle Zwecke verwendet werden.

Ana Hancock, Alejandro Martinez Calvo und Sujit Datta

Princeton-Forscher im Labor. Bildnachweis: David Kelly Crowe von der Princeton University

„Grundsätzlich sind wir begeistert, dass diese Arbeit überraschende Verbindungen zwischen der Evolution von Form und Funktion in biologischen Systemen und der Untersuchung von nicht lebenden Wachstumsprozessen in den Materialwissenschaften und der statistischen Physik aufzeigt. “Wann und wo Zellen in 3D wachsen, wird für jeden interessant sein, der sich für Bakterienwachstum interessiert, einschließlich umweltbezogener, industrieller und biomedizinischer Anwendungen.”

Seit mehreren Jahren entwickelt Dattas Forschungsteam ein System, das es ihnen ermöglicht, Phänomene zu analysieren, die normalerweise unter undurchsichtigen Bedingungen abgedeckt würden, wie z. B. das Fließen von Flüssigkeiten durch den Boden. Das Team verwendet speziell entwickelte Hydrogele, bei denen es sich um wasserabsorbierende Polymere handelt, die denen ähneln, die in Kontaktlinsen und Gelees zu finden sind, als Matrizen, um das Wachstum von Bakterien in 3D zu unterstützen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Versionen von Hydrogelen bestehen Data-Materialien aus sehr kleinen Hydrogelkügelchen, die leicht von Bakterien verformt werden können, einen freien Durchgang von Sauerstoff und Nährstoffen ermöglichen, die das Bakterienwachstum fördern, und lichtdurchlässig sind.

„Es ist wie ein Bällebad, wo jede Kugel ein separates Hydrogel ist. Es ist mikroskopisch klein, also kann man es nicht wirklich sehen. Das Forschungsteam kalibrierte die Zusammensetzung des Hydrogels, um die Boden- oder Gewebestruktur nachzuahmen. Das Hydrogel ist stark genug, um das Wachstum von Bakterienkolonien ohne Widerstand zu unterstützen. Ausreichend, um das Wachstum einzuschränken.

„Während Bakterienkolonien in der Hydrogelmatrix wachsen, können sie die Kügelchen leicht um sich selbst herum anordnen, damit sie nicht stecken bleiben“, sagte er. „Es ist, als würde man seinen Arm in ein Bällebad stecken. Wenn du daran ziehst, ordnen sich die Kugeln neu um deinen Arm.“

Die Forscher probierten vier verschiedene Arten von Bakterien aus (darunter eine, die dabei hilft, den würzigen Geschmack von Kombucha zu erzeugen), um zu sehen, wie sie in drei Dimensionen wachsen.

„Wir haben die Zelltypen, Nährstoffbedingungen und Eigenschaften des Hydrogels verändert“, sagte Datta. Die Forscher sahen in allen Fällen die gleichen groben Wachstumsmuster. “Wir haben all diese Parameter systematisch verändert, aber es scheint ein allgemeines Phänomen zu sein.”

Die Daten besagten, dass zwei Faktoren blumenkohlförmige Wucherungen auf der Oberfläche der Kolonie verursachten. Erstens wachsen und vermehren sich Bakterien mit einem höheren Nährstoff- oder Sauerstoffgehalt schneller als solche in einer weniger reichhaltigen Umgebung. Selbst in den beständigsten Umgebungen gibt es einige ungleichmäßige Nährstoffdichten, und diese Unterschiede führen dazu, dass Flecken auf der Oberfläche der Kolonie vorrücken oder zurückbleiben. Dies wird in drei Dimensionen wiederholt, wodurch die Bakterienkolonie Unebenheiten und Knötchen bildet, da einige Untergruppen von Bakterien schneller wachsen als ihre Nachbarn.

Zweitens stellen die Forscher fest, dass beim 3D-Wachstum nur Bakterien nahe der Oberfläche der Kolonie wachsen und sich teilen. Bakterien, die in der Mitte der Kolonie zerquetscht werden, scheinen Winterschlaf zu halten. Da die Bakterien im Inneren nicht wuchsen und sich nicht teilten, wurden die Bakterien außerhalb keinem Druck ausgesetzt, der dazu führen würde, dass sie sich gleichmäßig ausdehnen. Stattdessen wird seine Expansion hauptsächlich durch das Wachstum am Rand der Kolonie vorangetrieben. Das Wachstum entlang der Kante unterliegt Nährstoffveränderungen, die schließlich zu verkümmertem und unregelmäßigem Wachstum führen.

„Wenn das Wachstum gleichmäßig wäre und es keine Unterschiede zwischen den Bakterien in der Kolonie und denen in der Umgebung gäbe, wäre es, als würde man eine Blase füllen“, sagte Alejandro Martínez Calvo, Postdoktorand in Princeton und Erstautor der Arbeit. „Der Druck von innen wird jeden Aufruhr in den Extremitäten füllen.“

Um zu erklären, warum dieser Stress nicht vorhanden ist, fügten die Forscher Proteinen, die in Zellen aktiv werden, wenn Bakterien wachsen, eine fluoreszierende Markierung hinzu. Das fluoreszierende Protein leuchtet, wenn Bakterien aktiv sind, und bleibt dunkel, wenn sie inaktiv sind. Forscher, die die Kolonien beobachteten, sahen, dass die Bakterien an den Rändern der Kolonie hellgrün waren, während der Kern dunkel blieb.

„Die Kolonie organisiert sich im Grunde in einen Kern und eine Hülle, die sich sehr unterschiedlich verhalten“, sagt Datta. Sagte.

Die Theorie, so Datta, ist, dass Bakterien an den Rändern der Kolonie die meisten Nährstoffe und Sauerstoff sammeln und wenig für die Bakterien im Inneren übrig lassen.

„Wir glauben, dass sie Winterschlaf halten, weil sie hungrig sind“, sagte Datta, warnte jedoch davor, dass weitere Forschung erforderlich sei, um dies zu untersuchen.

Die Daten besagten, dass Experimente und mathematische Modelle, die von den Forschern verwendet wurden, herausfanden, dass die auf den Oberflächen der Kolonien gebildeten Grate eine obere Grenze hatten. Die unebene Oberfläche ist das Ergebnis zufälliger Unterschiede in Sauerstoff und Nährstoffen in der Umgebung, aber die Zufälligkeit tendiert dazu, innerhalb gewisser Grenzen gleichmäßig zu sein.

„Es gibt eine Obergrenze dafür, wie groß die Rauheit sein kann – die Größe einer Blume, wenn wir sie mit einem Brokkoli vergleichen“, sagte er. „Wir konnten dies mit Mathematik vorhersagen, und es scheint ein unvermeidliches Merkmal des 3D-Wachstums großer Kolonien zu sein.“

Da das Bakterienwachstum dazu neigt, einem ähnlichen Muster zu folgen wie das Kristallwachstum und andere gut untersuchte Phänomene in nicht lebenden Materialien, konnten die Forscher mathematische Standardmodelle anpassen, um das Bakterienwachstum widerzuspiegeln, sagte Datta. Er sagte, zukünftige Forschung werde sich wahrscheinlich darauf konzentrieren, die Mechanismen hinter dem Wachstum, die Auswirkungen grober Wachstumsmuster auf das Funktionieren der Kolonien besser zu verstehen und diese Erkenntnisse auf andere Interessengebiete anzuwenden.

„Letztendlich gibt uns diese Arbeit mehr Werkzeuge, um zu verstehen und letztendlich zu kontrollieren, wie Bakterien in der Natur wachsen“, sagte er.

Referenz: „Morphologische Instabilität und Wachstumsrauheit dreidimensionaler Bakterienkolonien“, von Alejandro Martínez Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R. Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M. Hancock, Ned S. Wingreen und Sojit S-Data, 18. Oktober 2022, Hier verfügbar . Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation, der New Jersey Health Foundation, den National Institutes of Health, dem Eric and Wendy Schmidt Transformation Technology Fund, dem Pew Medical Scientists Fund und dem Human Frontier Science Program finanziert.

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