Επιστήμονες του Πρίνστον λύνουν ένα βακτηριακό μυστήριο

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι αποικίες βακτηρίων σχηματίζονται σε τρεις διαστάσεις με τραχιά σχήματα που μοιάζουν με κρύσταλλο.

Οι βακτηριακές αποικίες συχνά αναπτύσσονται σε γραμμές σε τρυβλία Petri στα εργαστήρια, αλλά κανείς δεν κατάλαβε πώς οι αποικίες τοποθετούνται σε πιο ρεαλιστικά τρισδιάστατα περιβάλλοντα, όπως ιστοί και τζελ σε ανθρώπινο σώμα ή έδαφος και ιζήματα στο περιβάλλον, μέχρι τώρα. Αυτή η γνώση μπορεί να είναι σημαντική για την πρόοδο της περιβαλλοντικής και ιατρικής έρευνας.

ένα πανεπιστήμιο Πρίνσετον Η ομάδα έχει πλέον αναπτύξει έναν τρόπο παρακολούθησης βακτηρίων σε περιβάλλοντα 3D. Ανακάλυψαν ότι καθώς αναπτύσσονται τα βακτήρια, οι αποικίες τους σχηματίζουν συνεχώς υπέροχα οδοντωτά σχήματα που μοιάζουν με ένα διακλαδισμένο κεφάλι μπρόκολου, πολύ πιο περίπλοκο από αυτό που βλέπουμε σε ένα τρυβλίο Petri.

«Εφόσον τα βακτήρια ανακαλύφθηκαν πριν από περισσότερα από 300 χρόνια, οι περισσότερες εργαστηριακές έρευνες τα έχουν μελετήσει σε δοκιμαστικούς σωλήνες ή σε τρυβλία Petri», δήλωσε ο Sujit Datta, επίκουρος καθηγητής χημικής και βιολογικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Αυτό ήταν αποτέλεσμα πρακτικών περιορισμών και όχι έλλειψης περιέργειας. “Αν προσπαθήσετε να παρακολουθήσετε τα βακτήρια να αναπτύσσονται στον ιστό ή στο έδαφος, αυτά είναι αδιαφανή και δεν μπορείτε πραγματικά να δείτε τι κάνει η αποικία. Αυτή ήταν η πραγματική πρόκληση.”

Οι ερευνητές είναι ο Sujit Datta, επίκουρος καθηγητής χημικής και βιολογικής μηχανικής, ο Alejandro Martínez Calvo, μεταδιδακτορικός ερευνητής και η Ana Hancock, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στη χημική και βιολογική μηχανική. Πιστοποίηση: David Kelly Crowe του Πανεπιστημίου Princeton

Η ερευνητική ομάδα των δεδομένων ανακάλυψε αυτή τη συμπεριφορά χρησιμοποιώντας μια πρωτοποριακή πειραματική διάταξη που τους επιτρέπει να κάνουν άγνωστες μέχρι τώρα παρατηρήσεις βακτηριακών αποικιών στη φυσική, τρισδιάστατη κατάστασή τους. Απροσδόκητα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η ανάπτυξη άγριων αποικιών μοιάζει σταθερά με άλλα φυσικά φαινόμενα, όπως η ανάπτυξη κρυστάλλων ή η εξάπλωση του παγετού στο τζάμι.

«Αυτοί οι τύποι οδοντωτών, διακλαδιζόμενων σχημάτων είναι πανταχού παρόντες στη φύση, αλλά συνήθως στο πλαίσιο της ανάπτυξης ή της συσσώρευσης άψυχων συστημάτων», είπε ο Ντάτα. «Αυτό που βρήκαμε είναι ότι η ανάπτυξη σε τρισδιάστατες βακτηριακές αποικίες παρουσιάζει μια πολύ παρόμοια διαδικασία παρά το γεγονός ότι πρόκειται για ομάδες οργανισμών».

Αυτή η νέα εξήγηση για το πώς οι αποικίες βακτηρίων εξελίσσονται σε τρεις διαστάσεις δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Ο Ντάτα και οι συνάδελφοί του ελπίζουν ότι οι ανακαλύψεις τους θα βοηθήσουν ένα ευρύ φάσμα έρευνας για την ανάπτυξη βακτηρίων, από τη δημιουργία πιο αποτελεσματικών αντιμικροβιακών μέχρι τη φαρμακευτική, ιατρική και περιβαλλοντική έρευνα, καθώς και διαδικασίες που αξιοποιούν τα βακτήρια για βιομηχανική χρήση.

Ερευνητές του Πρίνστον στο εργαστήριο. Πιστοποίηση: David Kelly Crowe του Πανεπιστημίου Princeton

“Σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, είμαστε ενθουσιασμένοι που αυτή η εργασία αποκαλύπτει εκπληκτικές συνδέσεις μεταξύ της εξέλιξης της μορφής και της λειτουργίας σε βιολογικά συστήματα και των μελετών μη ζωντανών διαδικασιών ανάπτυξης στην επιστήμη των υλικών και τη στατιστική φυσική. Αλλά πιστεύουμε επίσης ότι αυτή η νέα εικόνα πότε και πού αναπτύσσονται τα κύτταρα σε 3D θα ενδιαφέρει οποιονδήποτε ενδιαφέρεται για την ανάπτυξη βακτηρίων, όπως σε περιβαλλοντικές, βιομηχανικές και βιοϊατρικές εφαρμογές», είπε ο Datta.

Για αρκετά χρόνια, η ερευνητική ομάδα του Datta αναπτύσσει ένα σύστημα που τους επιτρέπει να αναλύουν φαινόμενα που κανονικά θα καλύπτονταν σε αδιαφανείς συνθήκες, όπως η ροή υγρών μέσω του εδάφους. Η ομάδα χρησιμοποιεί ειδικά σχεδιασμένες υδρογέλες, που είναι υδατοαπορροφητικά πολυμερή παρόμοια με αυτά που βρίσκονται σε φακούς επαφής και ζελέ, ως μήτρες για την υποστήριξη της ανάπτυξης βακτηρίων σε 3D. Σε αντίθεση με αυτές τις κοινές εκδόσεις υδρογέλης, τα υλικά δεδομένων αποτελούνται από πολύ μικρές σφαίρες υδρογέλης που παραμορφώνονται εύκολα από βακτήρια, επιτρέπουν την ελεύθερη διέλευση οξυγόνου και θρεπτικών ουσιών που υποστηρίζουν την ανάπτυξη βακτηρίων και είναι διαφανείς στο φως.

“Είναι σαν ένα λάκκο με μπάλα όπου κάθε μπάλα είναι μια μεμονωμένη υδρογέλη. Είναι μικροσκοπική, οπότε δεν μπορείς να την δεις πραγματικά”, είπε ο Datta. Η ερευνητική ομάδα βαθμολόγησε τη σύνθεση της υδρογέλης για να μιμηθεί τη δομή του εδάφους ή του ιστού. Η υδρογέλη είναι αρκετά ισχυρό για να υποστηρίξει την ανάπτυξη βακτηριακών αποικιών χωρίς να εισάγει αντίσταση, επαρκές για να περιορίσει την ανάπτυξη.

«Καθώς οι βακτηριακές αποικίες αναπτύσσονται στη μήτρα υδρογέλης, μπορούν εύκολα να αναδιατάξουν τα σφαιρίδια γύρω τους έτσι ώστε να μην παγιδευτούν», είπε. “Είναι σαν να βυθίζετε το χέρι σας σε ένα λάκκο με μπάλα. Αν το τραβήξετε μέσα, οι μπάλες αναδιατάσσονται γύρω από το χέρι σας.”

Οι ερευνητές πειραματίστηκαν με τέσσερις διαφορετικούς τύπους βακτηρίων (συμπεριλαμβανομένου ενός που βοηθά στη δημιουργία της πικάντικης γεύσης της kombucha) για να δουν πώς αναπτύχθηκαν σε τρεις διαστάσεις.

«Αλλάξαμε τους τύπους κυττάρων, τις θρεπτικές συνθήκες και τις ιδιότητες της υδρογέλης», είπε ο Ντάτα. Οι ερευνητές είδαν τα ίδια αδρά μοτίβα ανάπτυξης σε κάθε περίπτωση. «Έχουμε αλλάξει συστηματικά όλες αυτές τις παραμέτρους, αλλά αυτό φαίνεται να είναι ένα γενικό φαινόμενο».

Τα δεδομένα ανέφεραν ότι δύο παράγοντες φαίνεται να προκαλούν αναπτύξεις σε σχήμα κουνουπιδιού στην επιφάνεια της αποικίας. Πρώτον, τα βακτήρια με υψηλότερα επίπεδα θρεπτικών συστατικών ή οξυγόνου θα αναπτυχθούν και θα πολλαπλασιαστούν γρηγορότερα από εκείνα σε λιγότερο άφθονο περιβάλλον. Ακόμη και τα πιο συνεπή περιβάλλοντα έχουν κάποιες ανομοιόμορφες πυκνότητες θρεπτικών ουσιών και αυτές οι διαφορές προκαλούν τις κηλίδες στην επιφάνεια της αποικίας να κινούνται προς τα εμπρός ή να καθυστερούν. Αυτό επαναλαμβάνεται σε τρεις διαστάσεις, με αποτέλεσμα η αποικία των βακτηρίων να σχηματίζει εξογκώματα και οζίδια καθώς ορισμένα υποσύνολα βακτηρίων αναπτύσσονται πιο γρήγορα από τα γειτονικά τους.

Δεύτερον, οι ερευνητές σημειώνουν ότι στην τρισδιάστατη ανάπτυξη, μόνο βακτήρια κοντά στην επιφάνεια της αποικίας αναπτύσσονται και διαιρούνται. Τα βακτήρια που συνθλίβονται στο κέντρο της αποικίας φαίνεται να πέφτουν σε κατάσταση χειμερίας νάρκη. Επειδή τα βακτήρια στο εσωτερικό δεν αναπτύσσονταν και δεν διαιρούνταν, το εξωτερικό δεν δεχόταν πίεση που θα έκανε να διαστέλλεται ομοιόμορφα. Αντίθετα, η επέκτασή του οφείλεται κυρίως στην ανάπτυξη κατά μήκος της άκρης της αποικίας. Η ανάπτυξη κατά μήκος της άκρης υπόκειται σε αλλαγές θρεπτικών συστατικών που τελικά οδηγούν σε καθυστερημένη και ασταθή ανάπτυξη.

«Αν η ανάπτυξη ήταν ομοιόμορφη και δεν υπήρχε διαφορά μεταξύ των βακτηρίων μέσα στην αποικία και εκείνων στην περιφέρεια, θα ήταν σαν να γεμίζεις ένα μπαλόνι», δήλωσε ο Αλεχάντρο Μαρτίνεθ Κάλβο, μεταδιδακτορικός ερευνητής του Πρίνστον και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. «Η πίεση από μέσα θα γεμίσει οποιαδήποτε αναταραχή στα άκρα».

Για να εξηγήσουν γιατί δεν υπήρχε αυτό το στρες, οι ερευνητές πρόσθεσαν μια φθορίζουσα ετικέτα σε πρωτεΐνες που γίνονται ενεργές στα κύτταρα όταν αναπτύσσονται βακτήρια. Η φθορίζουσα πρωτεΐνη λάμπει όταν τα βακτήρια είναι ενεργά και παραμένει σκοτεινή όταν δεν είναι. Παρατηρώντας τις αποικίες, οι ερευνητές είδαν ότι τα βακτήρια στην άκρη της αποικίας ήταν έντονο πράσινο, ενώ ο πυρήνας παρέμενε σκούρος.

«Η αποικία οργανώνεται βασικά σε έναν πυρήνα και ένα κέλυφος που συμπεριφέρονται με πολύ διαφορετικούς τρόπους», είπε ο Ντάτα.

Η θεωρία, είπε ο Ντάτα, είναι ότι τα βακτήρια στις άκρες της αποικίας μαζεύουν τα περισσότερα από τα θρεπτικά συστατικά και το οξυγόνο, αφήνοντας λίγα για τα εσωτερικά βακτήρια.

«Πιστεύουμε ότι πέφτουν σε χειμερία νάρκη επειδή πεινούν», είπε ο Ντάτα, αν και προειδοποίησε ότι χρειάζεται περισσότερη έρευνα για να διερευνηθεί αυτό.

Τα δεδομένα ανέφεραν ότι πειράματα και μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν από τους ερευνητές διαπίστωσαν ότι υπήρχε ένα ανώτερο όριο στις κορυφογραμμές που σχηματίζονταν στις επιφάνειες της αποικίας. Η ανώμαλη επιφάνεια είναι αποτέλεσμα τυχαίων διαφορών σε οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά στο περιβάλλον, αλλά η τυχαιότητα τείνει να είναι ακόμη και εντός ορισμένων ορίων.

«Η τραχύτητα έχει ένα ανώτερο όριο για το πόσο μεγάλο μπορεί να είναι – το μέγεθος ενός λουλουδιού αν το συγκρίνουμε με ένα μπρόκολο», είπε. «Ήμασταν σε θέση να το προβλέψουμε αυτό με τα μαθηματικά και φαίνεται να είναι ένα αναπόφευκτο χαρακτηριστικό της ανάπτυξης μεγάλων αποικιών σε 3D».

Επειδή η βακτηριακή ανάπτυξη τείνει να ακολουθεί ένα παρόμοιο μοτίβο με την ανάπτυξη των κρυστάλλων και άλλα καλά μελετημένα φαινόμενα μη ζωντανών υλικών, ο Datta είπε ότι οι ερευνητές μπόρεσαν να προσαρμόσουν τυπικά μαθηματικά μοντέλα για να αντικατοπτρίζουν την ανάπτυξη βακτηρίων. Είπε ότι η μελλοντική έρευνα πιθανότατα θα επικεντρωθεί στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών πίσω από την ανάπτυξη, των επιπτώσεων για τις τραχιές μορφές ανάπτυξης της λειτουργίας των αποικιών και στην εφαρμογή αυτών των μαθημάτων σε άλλους τομείς ανησυχίας.

«Τελικά, αυτή η εργασία μας δίνει περισσότερα εργαλεία για να κατανοήσουμε και, τελικά, να ελέγξουμε πώς αναπτύσσονται τα βακτήρια στη φύση», είπε.

Αναφορά: «Μορφολογική αστάθεια και τραχύτητα ανάπτυξης τρισδιάστατων βακτηριακών αποικιών» από τους Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen and Sojit S-Data, 18 Οκτωβρίου 2022, Διαθέσιμο εδώ. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Ίδρυμα Υγείας του Νιου Τζέρσεϊ, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Ταμείο Μετασχηματιστικής Τεχνολογίας του Έρικ και Γουέντι Σμιντ, το Ταμείο Ιατρικών Επιστημόνων Pew και το Επιστημονικό Πρόγραμμα Human Frontier.