Die Forscher konnten das klumpige Wachstum der Bakterienkolonien dreidimensional beobachten. Bildnachweis: Neil Adelantar/Princeton University
Die Forscher fanden heraus, dass sich Bakterienkolonien in drei Dimensionen in groben Formen ähnlich wie Kristalle bilden.
Bakterienkolonien wachsen oft in Streifen auf Petrischalen in Labors, aber niemand hat verstanden, wie sich die Kolonien in realistischeren dreidimensionalen (3-D) Umgebungen anordnen, wie Gewebe und Gele im menschlichen Körper oder Böden und Sedimente in der Umwelt , bis jetzt. Dieses Wissen könnte wichtig sein, um die Umwelt- und Medizinforschung voranzubringen.
EIN Princeton Universität Team hat nun eine Methode zur Beobachtung von Bakterien in 3-D-Umgebungen entwickelt. Sie entdeckten, dass ihre Kolonien beim Wachstum der Bakterien durchweg raue, faszinierende Formen bilden, die einem verzweigten Brokkolikopf ähneln, viel komplexer als das, was in einer Petrischale zu sehen ist.
„Seit Bakterien vor über 300 Jahren entdeckt wurden, hat die Laborforschung sie in Reagenzgläsern oder auf Petrischalen untersucht“, sagte Sujit Datta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Princeton und leitender Autor der Studie. Dies lag eher an praktischen Grenzen als an mangelnder Neugier. „Wenn Sie versuchen, das Wachstum von Bakterien in Geweben oder Böden zu beobachten, sind diese undurchsichtig, und Sie können nicht wirklich sehen, was die Kolonie tut. Das war wirklich die Herausforderung.“
Forscher Sujit Datta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen, Alejandro Martinez-Calvo, Postdoktorand, und Anna Hancock, Doktorandin für Chemie- und Bioingenieurwesen. Bildnachweis: David Kelly Crow für die Princeton University
Dattas Forschungsgruppe entdeckte dieses Verhalten mit einem bahnbrechenden Versuchsaufbau, der es ihnen ermöglicht, bisher unerhörte Beobachtungen von Bakterienkolonien in ihrem natürlichen, dreidimensionalen Zustand zu machen. Überraschenderweise entdeckten die Wissenschaftler, dass das Wachstum der wilden Kolonien immer wieder anderen natürlichen Phänomenen wie dem Wachstum von Kristallen oder der Ausbreitung von Reif auf einer Fensterscheibe ähnelt.
„Diese Art von rauen, verzweigten Formen ist in der Natur allgegenwärtig, aber typischerweise im Zusammenhang mit wachsenden oder agglomerierenden nicht lebenden Systemen“, sagte Datta. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass Bakterienkolonien, die in 3-D wachsen, einen sehr ähnlichen Prozess zeigen, obwohl es sich um Kollektive lebender Organismen handelt.“
Diese neue Erklärung dafür, wie sich Bakterienkolonien in drei Dimensionen entwickeln, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences. Datta und seine Kollegen hoffen, dass ihre Entdeckungen bei einem breiten Spektrum der Bakterienwachstumsforschung helfen werden, von der Schaffung wirksamerer antimikrobieller Mittel über die pharmazeutische, medizinische und Umweltforschung bis hin zu Verfahren, die Bakterien für die industrielle Nutzung nutzbar machen.
Princeton-Forscher im Labor. Bildnachweis: David Kelly Crow für die Princeton University
„Grundsätzlich sind wir begeistert, dass diese Arbeit überraschende Verbindungen zwischen der Entwicklung von Form und Funktion in biologischen Systemen und Studien zu unbelebten Wachstumsprozessen in den Materialwissenschaften und der statistischen Physik aufzeigt. Aber wir glauben auch, dass diese neue Sicht darauf, wann und wo Zellen in 3D wachsen, für jeden interessant sein wird, der sich für Bakterienwachstum interessiert, beispielsweise für Anwendungen in der Umwelt, in der Industrie und in der Biomedizin“, sagte Datta.
Seit einigen Jahren entwickelt Dattas Forschungsteam ein System, mit dem sie Phänomene analysieren können, die normalerweise in undurchsichtigen Umgebungen verborgen sind, wie z. B. Flüssigkeiten, die durch Böden fließen. Das Team verwendet speziell entwickelte Hydrogele, bei denen es sich um wasserabsorbierende Polymere ähnlich denen in Wackelpudding und Kontaktlinsen handelt, als Matrizen, um das Bakterienwachstum in 3-D zu unterstützen. Im Gegensatz zu den üblichen Versionen von Hydrogelen bestehen die Materialien von Datta aus extrem kleinen Hydrogelkügelchen, die von den Bakterien leicht verformt werden können, den freien Durchgang von Sauerstoff und Nährstoffen ermöglichen, die das Bakterienwachstum unterstützen, und lichtdurchlässig sind.
„Es ist wie ein Bällebad, wo jeder Ball ein individuelles Hydrogel ist. Sie sind mikroskopisch klein, also kann man sie nicht wirklich sehen“, sagte Datta. Das Forschungsteam kalibrierte die Zusammensetzung des Hydrogels, um die Struktur von Erde oder Gewebe nachzuahmen. Das Hydrogel ist stark genug, um die wachsende Bakterienkolonie zu unterstützen, ohne genügend Widerstand zu bieten, um das Wachstum einzuschränken.
„Während die Bakterienkolonien in der Hydrogelmatrix wachsen, können sie die Kugeln leicht um sie herum anordnen, damit sie nicht eingeschlossen werden“, sagte er. „Es ist, als würde man seinen Arm ins Bällebad tauchen. Wenn du es durchziehst, ordnen sich die Kugeln neu um deinen Arm.“
Die Forscher führten Experimente mit vier verschiedenen Bakterienarten durch (einschließlich einer, die hilft, den herben Geschmack von Kombucha zu erzeugen), um zu sehen, wie sie in drei Dimensionen wuchsen.
„Wir haben Zelltypen, Nährstoffbedingungen und Hydrogeleigenschaften geändert“, sagte Datta. Die Forscher sahen jeweils die gleichen, kantigen Wachstumsmuster. „Wir haben offensichtlich all diese Parameter geändert, aber das scheint ein generisches Phänomen zu sein.“
Datta sagte, dass zwei Faktoren das brokkoliförmige Wachstum auf der Oberfläche einer Kolonie zu verursachen schienen. Erstens wachsen und vermehren sich Bakterien mit Zugang zu hohen Mengen an Nährstoffen oder Sauerstoff schneller als solche in einer weniger reichhaltigen Umgebung. Selbst die gleichmäßigsten Umgebungen haben eine ungleichmäßige Nährstoffdichte, und diese Schwankungen führen dazu, dass Flecken auf der Oberfläche der Kolonie nach vorne schießen oder zurückfallen. In drei Dimensionen wiederholt, führt dies dazu, dass die Bakterienkolonie Unebenheiten und Knötchen bildet, da einige Untergruppen von Bakterien schneller wachsen als ihre Nachbarn.
Zweitens beobachteten die Forscher, dass beim dreidimensionalen Wachstum nur die Bakterien in der Nähe der Kolonieoberfläche wuchsen und sich teilten. Die im Zentrum der Kolonie zusammengepferchten Bakterien schienen in einen Ruhezustand zu verfallen. Da die Bakterien im Inneren nicht wuchsen und sich nicht teilten, wurde die äußere Oberfläche keinem Druck ausgesetzt, der sie gleichmäßig ausdehnen würde. Stattdessen wird seine Expansion hauptsächlich durch das Wachstum am äußersten Rand der Kolonie vorangetrieben. Und das Wachstum entlang der Kante unterliegt Nährstoffschwankungen, die schließlich zu einem holprigen, ungleichmäßigen Wachstum führen.
„Wenn das Wachstum gleichmäßig wäre und es keinen Unterschied zwischen den Bakterien in der Kolonie und denen an der Peripherie gäbe, wäre es, als würde man einen Ballon füllen“, sagte Alejandro Martinez-Calvo, Postdoktorand in Princeton und Erstautor der Arbeit. „Der Druck von innen würde alle Störungen an der Peripherie ausgleichen.“
Um zu erklären, warum dieser Druck nicht vorhanden war, fügten die Forscher Proteinen, die in Zellen aktiv werden, wenn die Bakterien wachsen, eine fluoreszierende Markierung hinzu. Das fluoreszierende Protein leuchtet, wenn Bakterien aktiv sind, und bleibt dunkel, wenn sie es nicht sind. Bei der Beobachtung der Kolonien stellten die Forscher fest, dass die Bakterien am Rand der Kolonie hellgrün waren, während der Kern dunkel blieb.
„Die Kolonie organisiert sich im Wesentlichen selbst in einen Kern und eine Hülle, die sich auf sehr unterschiedliche Weise verhalten“, sagte Datta.
Datta sagte, die Theorie sei, dass die Bakterien an den Rändern der Kolonie die meisten Nährstoffe und Sauerstoff aufnehmen und wenig für die Bakterien im Inneren übrig lassen.
„Wir glauben, dass sie ruhen, weil sie ausgehungert sind“, sagte Datta, obwohl er warnte, dass weitere Untersuchungen erforderlich seien, um dies zu untersuchen.
Datta sagte, die Experimente und mathematischen Modelle, die von den Forschern verwendet wurden, ergaben, dass es eine Obergrenze für die Unebenheiten gab, die sich auf den Oberflächen der Kolonien bildeten. Die holprige Oberfläche ist das Ergebnis zufälliger Schwankungen des Sauerstoffs und der Nährstoffe in der Umgebung, aber die Zufälligkeit tendiert dazu, sich innerhalb gewisser Grenzen auszugleichen.
„Die Rauheit hat eine Obergrenze dafür, wie groß sie werden kann – die Blütengröße, wenn wir sie mit Brokkoli vergleichen“, sagte er. „Wir konnten das aus der Mathematik vorhersagen, und es scheint ein unvermeidliches Merkmal großer Kolonien zu sein, die in 3D wachsen.“
Da das Bakterienwachstum dazu tendiert, einem ähnlichen Muster zu folgen wie das Kristallwachstum und andere gut untersuchte Phänomene unbelebter Materialien, waren die Forscher laut Datta in der Lage, mathematische Standardmodelle anzupassen, um das Bakterienwachstum widerzuspiegeln. Er sagte, zukünftige Forschung werde sich wahrscheinlich darauf konzentrieren, die Mechanismen hinter dem Wachstum, die Auswirkungen grober Wachstumsformen 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 schließlich zu kontrollieren, wie Bakterien in der Natur wachsen“, sagte er.
Referenz: „Morphologische Instabilität und Aufrauen wachsender 3D-Bakterienkolonien“ von Alejandro Martínez-Calvo, Tapomoy Bhattacharjee, R. Kōnane Bay, Hao Nghi Luu, Anna M. Hancock, Ned S. Wingreen und Sujit S. Datta, 18. Oktober 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119
Die Studie wurde von der National Science Foundation, der New Jersey Health Foundation, den National Institutes of Health, dem Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund, dem Pew Biomedical Scholars Fund und dem Human Frontier Science Program finanziert.