Princeton bilim adamları bakteriyel bir gizemi çözdü

Araştırmacılar, bakteri kolonilerinin kaba, kristal benzeri şekillerle üç boyutta oluştuğunu buldular.

Bakteriyel koloniler genellikle laboratuvarlardaki Petri kapları üzerinde sıralar halinde büyür, ancak şimdiye kadar hiç kimse kolonilerin insan vücudundaki dokular ve jeller veya ortamdaki toprak ve tortu gibi daha gerçekçi 3B ortamlarda kendilerini nasıl düzenlediklerini anlamadı. Bu bilgi, çevresel ve tıbbi araştırmaların ilerlemesi için önemli olabilir.

a Princeton Üniversitesi Ekip şimdi 3 boyutlu ortamlarda bakterileri izlemenin bir yolunu geliştirdi. Bakteriler büyüdükçe, kolonilerinin sürekli olarak, bir petri kabında gördüğümüzden çok daha karmaşık, dallı bir brokoli kafasına benzeyen harika pürüzlü şekiller oluşturduğunu keşfettiler.

Princeton Üniversitesi’nde kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü ve çalışmanın baş yazarı Sujit Datta, “Bakteriler 300 yıldan daha uzun bir süre önce keşfedildiğinden beri, çoğu laboratuvar araştırması onları test tüplerinde veya petri kaplarında inceledi” dedi. Bu, merak eksikliğinden çok pratik sınırlamaların sonucuydu. “Dokuda veya toprakta bakterilerin büyümesini izlemeye çalışırsanız, bunlar opaktır ve aslında koloninin ne yaptığını göremezsiniz. Asıl zorluk buydu.”

Araştırmacılar, kimya ve biyoloji mühendisliği yardımcı doçenti Sujit Datta, doktora sonrası araştırmacı Alejandro Martínez Calvo ve kimya ve biyoloji mühendisliği yüksek lisans öğrencisi Ana Hancock’tur. Kredi: Princeton Üniversitesi’nden David Kelly Crowe

Data’nın araştırma grubu, bu davranışı, bakteri kolonilerinin doğal, üç boyutlu hallerinde daha önce duyulmamış gözlemler yapmalarını sağlayan öncü bir deney düzeneği kullanarak keşfetti. Beklenmedik bir şekilde bilim adamları, vahşi kolonilerin büyümesinin sürekli olarak kristal büyümesi veya pencere camına buz yayılması gibi diğer doğal olaylara benzediğini keşfettiler.

Datta, “Bu tür pürüzlü, dallanan şekiller doğada her yerde bulunur, ancak genellikle cansız sistemlerin büyümesi veya kümelenmesi bağlamında.” Dedi. “Bulduğumuz şey, 3 boyutlu bakteri kolonilerindeki büyümenin, bunların organizma grupları olmasına rağmen çok benzer bir süreç sergilemesidir.”

Bakteri kolonilerinin üç boyutlu olarak nasıl evrimleştiğine dair bu yeni açıklama yakın zamanda dergide yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. Datta ve meslektaşları, keşiflerinin, daha etkili antimikrobiyaller yaratmaktan farmasötik, tıbbi ve çevresel araştırmalara ve ayrıca endüstriyel kullanım için bakterileri kullanan prosedürlere kadar çok çeşitli bakteri üreme araştırmalarına yardımcı olacağını umuyor.

Princeton araştırmacıları laboratuvarda. Kredi: Princeton Üniversitesi’nden David Kelly Crowe

“Temel düzeyde, bu çalışmanın biyolojik sistemlerdeki biçim ve işlevin evrimi ile malzeme bilimi ve istatistiksel fizikteki canlı olmayan büyüme süreçleri çalışmaları arasındaki şaşırtıcı bağlantıları ortaya çıkarmasından heyecan duyuyoruz. Hücrelerin 3 boyutlu olarak ne zaman ve nerede büyüdüğü, çevresel, endüstriyel ve biyomedikal uygulamalar gibi bakteriyel büyümeyle ilgilenen herkesin ilgisini çekecektir” dedi.

Birkaç yıldır, Datta’nın araştırma ekibi, sıvıların topraktan akışı gibi normalde opak koşullarda örtülebilecek olguları analiz etmelerine izin veren bir sistem geliştiriyor. Ekip, kontakt lenslerde ve jölelerde bulunanlara benzer su emici polimerler olan özel olarak tasarlanmış hidrojelleri, 3 boyutlu olarak bakterilerin büyümesini desteklemek için matrisler olarak kullanıyor. Hidrojellerin yaygın versiyonlarından farklı olarak Data materyalleri, bakteriler tarafından kolayca deforme olan, oksijenin ve bakteriyel büyümeyi destekleyen besinlerin serbest geçişine izin veren ve ışığa karşı şeffaf olan çok küçük hidrojel kürelerinden oluşur.

Datta, “Her topun ayrı bir hidrojel olduğu bir top çukuru gibi. Mikroskobik, bu yüzden onu gerçekten göremezsiniz. Araştırma ekibi, toprak veya doku yapısını taklit etmek için hidrojelin bileşimini kalibre etti. Hidrojel direnç göstermeden bakteri kolonisi büyümesini desteklemek için yeterince güçlüdür Büyümeyi kısıtlamak için yeterlidir.

“Bakteriyel koloniler hidrojel matrisinde büyüdükçe, globülleri kendi etraflarında kolayca yeniden düzenleyebilirler, böylece sıkışıp kalmazlar” dedi. “Kolunuzu bir top çukuruna batırmak gibi. Eğer onu çekerseniz, toplar kolunuzun etrafında kendilerini yeniden düzenlerler.”

Araştırmacılar, üç boyutta nasıl büyüdüklerini görmek için dört farklı bakteri türü (kombucha’nın keskin tadını oluşturmaya yardımcı olan biri dahil) denediler.

Datta, “Hücre tiplerini, besin koşullarını ve hidrojelin özelliklerini değiştirdik” dedi. Araştırmacılar her durumda aynı kaba büyüme modellerini gördüler. “Tüm bu parametreleri sistematik olarak değiştirdik, ancak bu genel bir fenomen gibi görünüyor.”

Veriler, iki faktörün koloninin yüzeyinde karnabahar şeklindeki büyümelere neden olduğunu söyledi. İlk olarak, daha yüksek besin veya oksijen seviyelerine sahip bakteriler, daha az bol bir ortamdakilere göre daha hızlı büyüyecek ve çoğalacaktır. En tutarlı ortamlarda bile bazı düzensiz besin yoğunlukları vardır ve bu farklılıklar koloninin yüzeyindeki lekelerin ilerlemesine veya geride kalmasına neden olur. Bu, üç boyutta tekrarlanarak, bazı bakteri alt kümeleri komşularından daha hızlı büyüdükçe bakteri kolonisinin tümsekler ve nodüller oluşturmasına neden olur.

İkincisi, araştırmacılar, 3 boyutlu büyümede yalnızca koloninin yüzeyine yakın bakterilerin büyüdüğünü ve bölündüğünü belirtiyor. Koloninin ortasında ezilen bakteriler kış uykusuna yatar gibi görünüyor. İçerideki bakteriler büyüyüp bölünmediği için, dışarıdaki bakteriler eşit şekilde genişlemesine neden olacak bir baskıya maruz kalmıyordu. Bunun yerine, genişlemesi esas olarak koloninin kenarı boyunca büyüme tarafından yönlendirilir. Kenar boyunca büyüme, sonunda bodur ve düzensiz büyümeye yol açan besin değişikliklerine tabidir.

Princeton doktora sonrası araştırmacısı ve makalenin ilk yazarı Alejandro Martínez Calvo, “Büyüme tek tip olsaydı ve koloni içindeki bakteriler ile çevredekiler arasında hiçbir fark olmasaydı, bu bir balonu doldurmak gibi olurdu” dedi. “İçeriden gelen baskı, ekstremitelerdeki herhangi bir kargaşayı dolduracaktır.”

Araştırmacılar, bu stresin neden mevcut olmadığını açıklamak için, bakteriler büyüdüğünde hücrelerde aktif hale gelen proteinlere floresan bir etiket eklediler. Floresan protein, bakteriler aktifken parlıyor ve aktif olmadıklarında karanlık kalıyor. Kolonileri gözlemleyen araştırmacılar, koloninin kenarlarındaki bakterilerin parlak yeşil olduğunu, çekirdeğin ise karanlık kaldığını gördüler.

Datta, “Koloni temelde kendisini çok farklı şekillerde davranan bir çekirdek ve bir kabuk halinde düzenler.” Dedi.

Datta’ya göre teori, koloninin kenarlarındaki bakterilerin besinlerin ve oksijenin çoğunu toplayıp, içteki bakterilere çok az şey bıraktıklarıdır.

Datta, “Aç oldukları için kış uykusuna yattıklarını düşünüyoruz” dedi, ancak bunu keşfetmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç olduğu konusunda uyardı.

Veriler, araştırmacılar tarafından kullanılan deneylerin ve matematiksel modellerin, koloninin yüzeylerinde oluşan sırtların bir üst sınırı olduğunu bulduğunu söyledi. Engebeli yüzey, ortamdaki oksijen ve besinlerdeki rastgele farklılıkların bir sonucudur, ancak rastgelelik belirli sınırlar içinde bile olma eğilimindedir.

“Pürüzlülüğün ne kadar büyük olabileceğinin bir üst sınırı vardır – bir brokoli ile karşılaştırırsak bir çiçeğin boyutu” dedi. “Bunu matematikle tahmin edebildik ve bu, büyük kolonilerin 3 boyutlu büyümesinin kaçınılmaz bir özelliği gibi görünüyor.”

Datta, bakteri büyümesinin, kristal büyümesine ve canlı olmayan materyallerin iyi çalışılmış diğer fenomenlerine benzer bir model izleme eğiliminde olduğundan, araştırmacıların standart matematiksel modelleri bakteriyel büyümeyi yansıtacak şekilde uyarlayabildiklerini söyledi. Gelecekteki araştırmaların muhtemelen büyümenin ardındaki mekanizmaları, koloni işleyişinin kaba büyüme biçimlerinin etkilerini daha iyi anlamaya ve bu dersleri diğer ilgi alanlarına uygulamaya odaklanacağını söyledi.

“Nihayetinde, bu çalışma bize bakterilerin doğada nasıl büyüdüğünü anlamak ve nihayetinde kontrol etmek için daha fazla araç sağlıyor” dedi.

Referans: “Üç boyutlu bakteri kolonilerinin morfolojik istikrarsızlığı ve büyüme kabalığı”, yazan Alejandro Martínez Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen ve Sojit S-Data, 18 Ekim 2022, Buradan ulaşabilirsiniz. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, New Jersey Sağlık Vakfı, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Eric ve Wendy Schmidt Dönüşüm Teknolojisi Fonu, Pew Tıp Bilim Adamları Fonu ve İnsan Sınır Bilim Programı tarafından finanse edildi.