Wissenschaftler aus Princeton lösen ein bakterielles Rätsel

Die Forscher fanden heraus, dass Bakterienkolonien in drei Dimensionen mit rauen, kristallähnlichen Formen gebildet werden.

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 in menschlichen Körpern oder Boden und Sedimenten in der Umwelt anordnen. Dieses Wissen kann für die Weiterentwicklung der Umwelt- und Medizinforschung wichtig sein.

a Princeton Universität Das Team hat nun eine Möglichkeit entwickelt, Bakterien in 3D-Umgebungen zu überwachen. Sie entdeckten, dass ihre Kolonien während des Wachstums von Bakterien kontinuierlich wunderbar gezackte Formen bilden, die einem verzweigten Brokkolikopf ähneln, viel komplexer als das, was wir in einer Petrischale sehen.

„Seit Bakterien vor mehr als 300 Jahren entdeckt wurden, hat die Laborforschung sie in Reagenzgläsern oder auf Petrischalen untersucht“, sagte Sujit Datta, Assistenzprofessor 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, Bakterien beim Wachsen im Gewebe oder im Boden zu beobachten, sind diese 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, Alejandro Martínez Calvo, Postdoktorand, 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 ermöglicht, bisher unerhörte Beobachtungen von Bakterienkolonien in ihrem natürlichen, dreidimensionalen Zustand zu machen. Unerwarteterweise haben Wissenschaftler entdeckt, dass das Wachstum wilder Kolonien anderen natürlichen Phänomenen wie Kristallwachstum oder Reif, der sich auf Fensterglas ausbreitet, durchweg ähnelt.

„Diese Arten von gezackten, verzweigten Formen sind in der Natur allgegenwärtig, aber normalerweise im Zusammenhang mit wachsenden oder verklumpten unbelebten Systemen“, sagte Datta. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass das Wachstum in 3D-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 veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences. Datta und seine Kollegen hoffen, dass ihre Entdeckungen ein breites Spektrum der Bakterienwachstumsforschung unterstützen 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 Crowe von der Princeton University

„Grundsätzlich sind wir begeistert, dass diese Arbeit überraschende Zusammenhänge zwischen der Evolution von Form und Funktion in biologischen Systemen und Studien zu nicht lebenden Wachstumsprozessen in den Materialwissenschaften und der statistischen Physik aufzeigt Wann und wo Zellen in 3D wachsen, wird für jeden von Interesse sein, der sich für Bakterienwachstum interessiert, beispielsweise für Anwendungen in der Umwelt, in der Industrie und in der Biomedizin“, sagte Datta.

Seit mehreren Jahren entwickelt Dattas Forschungsteam ein System, das es ihnen ermöglicht, Phänomene zu analysieren, die normalerweise unter undurchsichtigen Bedingungen verdeckt würden, wie beispielsweise der Fluss 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 den üblichen 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 unterstützen, und lichtdurchlässig sind.

„Es ist wie ein Bällebad, wo jede Kugel ein individuelles Hydrogel ist. Es ist mikroskopisch klein, also kann man es 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 das Wachstum von Bakterienkolonien zu unterstützen, ohne Resistenzen einzuführen, ausreichend, um das Wachstum einzuschränken.

„Wenn Bakterienkolonien in der Hydrogelmatrix wachsen, können sie die Kügelchen leicht um sich herum anordnen, sodass sie nicht eingeschlossen werden“, sagte er. „Es ist, als würde man seinen Arm in ein Bällebad versenken. Wenn man es durchzieht, ordnen sich die Bälle neu um den Arm.“

Die Forscher experimentierten mit vier verschiedenen Arten von Bakterien (einschließlich einer, die den scharfen Geschmack von Kombucha erzeugt), um zu sehen, wie sie in drei Dimensionen wuchsen.

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

Laut Data scheinen zwei Faktoren blumenkohlförmige Wucherungen auf der Oberfläche der Kolonie zu verursachen. Erstens wachsen und vermehren sich Bakterien mit einem höheren Nährstoff- oder Sauerstoffgehalt schneller als Bakterien in einer weniger reichhaltigen Umgebung. Selbst die beständigsten Umgebungen haben einige ungleichmäßige Nährstoffdichten, und diese Unterschiede führen dazu, dass sich Flecken auf der Oberfläche der Kolonie vorwärts bewegen oder zurückbleiben. Dies wiederholt sich in drei Dimensionen, was dazu führt, dass 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. Die im Zentrum der Kolonie zerquetschten Bakterien scheinen in einen Winterschlaf zu verfallen. Da die Bakterien im Inneren nicht wuchsen und sich teilten, erfuhr das Äußere keinen Druck, der dazu führen würde, dass es sich gleichmäßig ausdehnt. Stattdessen wird seine Expansion hauptsächlich durch das Wachstum am Rand der Kolonie vorangetrieben. Das Wachstum entlang des Randes unterliegt Nährstoffveränderungen, die schließlich zu einem verkümmerten und unregelmäßigen 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 Martínez Calvo, Postdoktorand an der Princeton University und Erstautor der Arbeit . „Der Druck von innen wird jeden Aufruhr an den Extremitäten füllen.“

Um zu erklären, warum dieser Stress nicht vorhanden war, fügten die Forscher Proteinen, die in Zellen aktiv werden, wenn Bakterien wachsen, eine fluoreszierende Markierung hinzu. Das fluoreszierende Protein leuchtet, wenn die Bakterien aktiv sind, und bleibt dunkel, wenn sie es nicht sind. Bei der Beobachtung der Kolonien sahen die Forscher, dass die Bakterien am Rand der Kolonie hellgrün waren, während der Kern dunkel blieb.

„Die Kolonie organisiert sich im Grunde selbst in einen Kern und eine Hülle, die sich auf sehr unterschiedliche Weise verhalten“, sagte Datta.

Die Theorie, sagte Datta, ist, dass die Bakterien an den Rändern der Kolonie die meisten Nährstoffe und Sauerstoff aufnehmen und wenig für die inneren Bakterien übrig lassen.

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

Data sagte, dass Experimente und mathematische Modelle, die von den Forschern verwendet wurden, herausfanden, dass es eine Obergrenze für die Grate gab, die sich auf den Oberflächen der Kolonie bildeten. Die holprige Oberfläche ist das Ergebnis zufälliger Unterschiede in Sauerstoff und Nährstoffen in der Umgebung, aber die Zufälligkeit tendiert dazu, innerhalb gewisser Grenzen gleichmäßig zu sein.

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

Da das Bakterienwachstum dazu neigt, einem ähnlichen Muster wie das Kristallwachstum und andere gut untersuchte Phänomene nicht lebender Materialien zu folgen, 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 besser zu verstehen, die Auswirkungen auf grobe Wachstumsformen der Koloniefunktion und die Anwendung dieser Lehren auf andere Interessengebiete.

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