研究人员能够在三维空间观察到菌落的块状生长。图片来源:Neil Adelantar/普林斯顿大学
研究人员发现细菌变色Nies以类似晶体的粗糙形状在三维空间中形成。
细菌菌落通常在实验室的培养皿中呈条状生长，但直到现在，还没有人了解菌落在更真实的三维环境中是如何排列的，例如人体中的组织和凝胶或环境中的土壤和沉积物。这些知识对推进环境和医学研究很重要。
普林斯顿大学的一个研究小组现在开发了一种在三维环境中观察细菌的方法。他们发现，当细菌生长时，它们的菌落持续形成迷人的粗糙形状，类似于西兰花的分枝头，比在培养皿中看到的要复杂得多。
“自从300多年前细菌被发现以来，大多数实验室研究都是在试管或培养皿中研究它们，”普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、该研究的资深作者苏吉特·达塔(Sujit Datta)说。这是实际限制的结果，而不是缺乏好奇心的结果。“如果你试图观察细菌在组织或土壤中的生长，它们是不透明的，你实际上无法看到细菌在组织或土壤中生长朗尼正在做。这确实是一个挑战。”
研究人员Sujit Datta是化学和生物工程助理教授，Alejandro Martinez-Calvo是博士后研究员，Anna Hancock是化学和生物工程研究生。图片来源:普林斯顿大学的David Kelly Crow
Datta的研究小组通过一种突破性的实验装置发现了这种行为，这种装置使他们能够对细菌菌落的自然三维状态进行前所未有的观察。出乎意料的是，科学家们发现野生菌落的生长始终与其他自然现象类似，如晶体的生长或窗玻璃上的霜的扩散。
“这种粗糙的、树枝状的形状在自然界中随处可见，但通常在生长或聚集的非生命系统中存在，”Datta说。“我们发现，在3d环境中生长的细菌菌落表现出非常相似的过程，尽管它们是生物体的集体。”
对细菌如何变色的新解释这篇论文最近发表在《国家学报》杂志上国家科学院。Datta和他的同事希望他们的发现将有助于更广泛的细菌生长研究，从创造更有效的抗菌剂到制药、医疗和环境政府的研究，以及利用细菌用于工业用途的程序。
普林斯顿大学实验室的研究人员说。图片来源:普林斯顿大学的David Kelly Crow
“从根本上说，我们很高兴这项工作揭示了生物系统中形式和功能的发展与材料科学和统计物理学中无生命生长过程研究之间惊人的联系。但同时，我们认为这种关于细胞在3D中何时何地生长的新观点将会引起任何对细菌生长感兴趣的人的兴趣，比如在环境、工业和生物医学应用方面。”
几年来，Datta的研究团队一直在开发一种系统，使他们能够分析通常隐藏在不透明环境中的现象，例如流体在土壤中的流动。该团队使用了特别设计的水凝胶，这是一种吸水聚合物，类似于果冻和隐形眼镜中的聚合物，作为支持细菌生长的三维基质。与那些常见的水凝胶不同，Datta的材料是由非常微小的水凝胶球组成的，它们很容易被细菌变形，允许氧气和支持细菌生长的营养物质自由通过，而且对光是透明的。
“这就像一个球坑，每个球都是一个单独的水凝胶。它们是显微镜下的，所以你无法真正看到它们，”达塔说。研究小组校准了水凝胶的组成，以模仿土壤或组织的结构。水凝胶的强度足以支撑菌落的生长，而不会产生足够的阻力来抑制其生长。
他说:“当细菌菌落在水凝胶基质中生长时，它们可以很容易地重新排列它们周围的球，这样它们就不会被困住。”“这就像把你的手臂伸进球坑。如果你把它拖过去，球就会在你的手臂周围重新排列。”
研究人员对四种不同种类的细菌(包括一种有助于产生康普茶酸味的细菌)进行了实验，以观察它们是如何在三维空间中生长的。
“我们改变了细胞类型、营养条件和水凝胶的性质，”Datta说。研究人员在每一种情况下都看到了相同的粗糙的生长模式。“我们系统地改变了所有这些参数，但这似乎是一个普遍现象。”
达塔说，两个因素似乎导致了殖民地表面的花椰菜状生长。首先，接触到高水平的营养物质或氧气的细菌会比在不那么充足的环境中生长和繁殖得更快。即使在最均匀的环境中，营养物质的密度也有一些不均匀的，这些变化会导致菌落表面的斑点提前或落后。在三维空间中重复，这导致细菌菌落形成肿块和结节，因为一些细菌亚群比它们的邻居生长得更快。
其次，研究人员观察到，在三维生长中，只有靠近菌落表面的细菌生长和分裂。挤在菌落中心的细菌似乎进入了休眠状态。因为内部的细菌没有生长和分裂，所以外部表面没有受到压力，不会使其均匀膨胀。相反，它的扩张主要是由沿着殖民地边缘的生长驱动的。沿边缘生长的植物受到营养变化的影响，最终导致生长崎岖不平。
这篇论文的第一作者、普林斯顿大学博士后研究员亚历杭德罗·马丁内斯-卡尔沃(Alejandro Martinez-Calvo)说，如果生长是均匀的，菌落内部和外围的细菌没有区别，那就像给气球充气一样。“来自内部的压力会填补外围的任何扰动。”
为了解释为什么这种压力不存在，研究人员在细菌生长时细胞中变得活跃的蛋白质上添加了荧光标签。当细菌活跃时，荧光蛋白就会发光，当细菌不活跃时，荧光蛋白就会保持黑暗。通过观察菌落，研究人员发现菌落边缘的细菌呈亮绿色，而菌落核心则保持深色。
“蚁群本质上自我组织成一个核心和一个外壳，它们的行为方式非常不同，”Datta说。
达塔说，理论上讲，菌落边缘的细菌吸收了大部分营养和氧气，只给内部的细菌留下很少的东西。
“我们认为它们进入休眠状态是因为它们饥饿，”达塔说，但他警告说，这需要进一步的研究来探索。
Datta说，研究人员使用的实验和数学模型发现，在菌落表面形成的凸起有一个上限。凹凸不平的表面是环境中氧气和营养物质随机变化的结果，但这种随机性在一定限度内趋于平衡。
他说:“粗糙度对它的生长有一个上限——如果我们把它与西兰花相比，它的小花大小就是上限。”“我们能够从数学上预测到这一点，这似乎是大型菌落在3D中生长的一个不可避免的特征。”
因为细菌的生长倾向于遵循与晶体生长和其他被充分研究的无生命材料的现象相似的模式，Datta说，研究人员能够调整标准的数学模型来反映细菌的生长。他说，未来的研究可能将集中于更好地理解生长背后的机制，粗略的生长形状对群体功能的影响，并将这些教训应用到其他感兴趣的领域。
“最终，这项工作为我们提供了更多的工具来理解并最终控制细菌在自然界中的生长方式，”他说。
参考文献:Alejandro Martínez-Calvo、Tapomoy Bhattacharjee、R. kghnane Bay、Hao Nghi Luu、Anna M. Hancock、Ned S. Wingreen和Sujit S. Datta“生长中的3D菌落的形态不稳定性和粗糙化”，2022年10月18日，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
这项研究由美国国家科学基金会、新泽西健康基金会、美国国立卫生研究院、埃里克和温迪·施密特变革技术基金、皮尤生物医学学者基金和人类前沿科学项目资助。
