تمكن الباحثون من ملاحظة النمو المتسارع للمستعمرات البكتيرية في ثلاثة أبعاد. الائتمان: نيل أديلانتر / جامعة برينستون
وجد الباحثون أن المستعمرات البكتيرية تكونت في ثلاثة أبعاد بأشكال صلبة تشبه البلورات.
غالبًا ما تنمو المستعمرات البكتيرية كخطوط في أطباق بتري في المختبرات ، لكن لا أحد يفهم كيف تنظم المستعمرات نفسها في بيئات ثلاثية الأبعاد أكثر واقعية ، مثل الأنسجة والمواد الهلامية في أجسام الإنسان أو التربة والرواسب في البيئة. ، حتى الآن. قد تكون هذه المعرفة مهمة للنهوض بالبحوث البيئية والطبية.
أ جامعة برينستون طور الفريق الآن طريقة لتتبع البكتيريا في بيئة ثلاثية الأبعاد. مع نمو البكتيريا ، تستمر مستعمراتها في تكوين أشكال خشنة جذابة تشبه رأس القرنبيط ، وهي أكثر تعقيدًا مما يمكن رؤيته في طبق بتري.
قال سوجيث دوتا ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة برينستون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “منذ اكتشاف البكتيريا قبل 300 عام ، قامت معظم الأبحاث المختبرية بدراستها في أنابيب اختبار أو أطباق بتري”. هذا هو نتيجة القيود العملية وليس عدم الاهتمام. “إذا حاولت أن ترى البكتيريا تنمو على الأنسجة أو في التربة ، فهي معتمة ، ولا يمكنك أن ترى حقًا ما تفعله المستعمرة. هذا ما كان يمثل تحديًا حقًا.”
الباحثون هم سوجيث دوتا ، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية ، وأليخاندرو مارتينيز كالفو ، باحث ما بعد الدكتوراه ، وآنا هانكوك ، طالبة دراسات عليا في الهندسة الكيميائية والبيولوجية. الائتمان: ديفيد كيلي كرو من جامعة برينستون
اكتشف فريق بحث دوتا هذا السلوك باستخدام إعداد تجريبي تحت الأرض يسمح لمستعمرات البكتيريا في حالتها الطبيعية ثلاثية الأبعاد بإجراء ملاحظات لم يسمع بها من قبل. بشكل غير متوقع ، اكتشف العلماء أن نمو المستعمرات البرية يشبه ظواهر طبيعية أخرى ، مثل نمو البلورات أو انتشار الصقيع على ألواح النوافذ.
قال دوتا: “هذه الأنواع من الأشكال الخشنة المتفرعة موجودة في كل مكان بطبيعتها ، ولكن عادة في البيئات التي تدمج الأنظمة النامية أو غير الحية”. “ما وجدناه هو أن النمو في المستعمرات البكتيرية ثلاثية الأبعاد تظهر عملية مشابهة جدًا على الرغم من كونها تجمعات من الكائنات الحية.”
نُشر هذا التفسير الجديد لكيفية تشكل المستعمرات البكتيرية في ثلاثة أبعاد مؤخرًا في المجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. يأمل دوتا وزملاؤه أن تساعد النتائج التي توصلوا إليها مجموعة واسعة من أبحاث نمو البكتيريا ، من تطوير المضادات الحيوية إلى الممارسات التي تستخدم البكتيريا في الأبحاث الصيدلانية والطبية والبيئية والتطبيقات الصناعية.
باحثو برينستون في المختبر. الائتمان: ديفيد كيلي كرو من جامعة برينستون
“على المستوى الأساسي ، نحن متحمسون لأن هذا العمل يكشف عن روابط مفاجئة بين تطور الشكل والوظيفة في النظم البيولوجية ودراسة عمليات النمو غير الحية في علم المواد والفيزياء الإحصائية. ولكن هذه الرؤية الجديدة حول متى وأين تنمو الخلايا في ستوفر الأبعاد الثلاثية رؤى جديدة حول البيئة. “، نعتقد أنها ستكون ذات فائدة لأي شخص مهتم بالنمو البكتيري ، سواء للتطبيقات الصناعية أو البيولوجية” ، قال دوتا.
لعدة سنوات ، طور فريق دوتا البحثي نظامًا يسمح لهم بتحليل الظواهر التي عادة ما تكون محاطة بأنظمة معتمة ، مثل تدفق السوائل عبر التربة. استخدم الفريق الهلاميات المائية المصممة خصيصًا ، وهي بوليمرات ماصة للماء مماثلة لتلك الموجودة في العدسات اللاصقة والجيلي ، كمصفوفات لدعم نمو البكتيريا في ثلاثي الأبعاد. على عكس الإصدارات الشائعة من الهلاميات المائية ، تتكون مواد داتا من كرات صغيرة من الهيدروجيل تتحلل بسهولة بواسطة البكتيريا ، وتسمح بالمرور الحر للأكسجين والمواد المغذية التي تدعم نمو البكتيريا ، وتكون شفافة للضوء.
قال دوتا: “إنها مثل حفرة الكرة ، حيث كل كرة عبارة عن هيدروجيل فردي. إنها مجهرية ، لذلك لا يمكنك رؤيتها حقًا”. قام فريق البحث بمعايرة تركيبة الهيدروجيل لتقليد بنية التربة أو الأنسجة. – قوي بما يكفي لدعم مستعمرة بكتيرية.
وقال: “عندما تنمو المستعمرات البكتيرية في مصفوفة الهيدروجيل ، يمكنها بسهولة إعادة ترتيب الكرات من حولها حتى لا تتعثر”. “الأمر يشبه وضع يدك في حفرة كرة. إذا قمت بسحبها ، فإن الكرات تعيد ترتيب نفسها حول يدك.
أجرى الباحثون تجارب على أربعة أنواع مختلفة من البكتيريا (بما في ذلك نوع يساعد في تكوين طعم حامض الكومبوتشا) لمعرفة كيف نمت في ثلاثة أبعاد.
قال دوتا: “لقد غيرنا أنواع الخلايا ومستويات المغذيات وخصائص الهيدروجيل”. وجد الباحثون أنماط نمو متشابهة في كل حالة. “قمنا بتغيير كل هذه المعايير بشكل منهجي ، ولكن يبدو أن هذا أمر شائع.”
قال دوتا إن هناك عاملين مسؤولين عن النمو على شكل القرنبيط على سطح مستعمرة. أولاً ، البكتيريا التي يمكنها الوصول إلى كميات كبيرة من العناصر الغذائية أو الأكسجين ستنمو وتتكاثر بشكل أسرع من تلك الموجودة في البيئات منخفضة الوفرة. حتى أكثر البيئات اتساقًا لديها بعض كثافة المغذيات غير المتماثلة ، وتسبب هذه الاختلافات بقعًا على سطح المستعمرة تتحرك للأمام أو للخلف. بشكل متكرر في ثلاثة أبعاد ، يتسبب هذا في تكوين المستعمرة البكتيرية نتوءات وعقيدات ، حيث تنمو مجموعات فرعية معينة من البكتيريا بشكل أسرع من جيرانها.
ثانيًا ، في النمو ثلاثي الأبعاد ، لاحظ الباحثون أن البكتيريا القريبة من سطح المستعمرة هي الوحيدة التي تنمو وتنقسم. تم إجبار البكتيريا المزدحمة في وسط المستعمرة على الدخول في حالة نائمة. نظرًا لأن البكتيريا الموجودة بالداخل لا تنمو وتنقسم ، فإن السطح الخارجي لا يتعرض للإجهاد ويتمدد بشكل متساوٍ. بدلاً من ذلك ، فإن توسعها مدفوع أساسًا بالنمو على حافة المستعمرة. والنمو على الحافة يخضع لتغيرات المغذيات ، مما يؤدي في النهاية إلى نمو غير متساو وغير متساو.
قال أليخاندرو مارتينيز كالفو ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون والمؤلف الأول للورقة: “إذا كان النمو ثابتًا ولم يكن هناك فرق بين البكتيريا الموجودة داخل المستعمرة والبكتيريا الموجودة على الأطراف ، فإن الأمر يشبه ملء بالون”. الضغط من الداخل يملأ أي اضطرابات في الأطراف “.
لتفسير سبب عدم وجود هذا الضغط ، أضاف الباحثون علامة فلورية إلى البروتينات النشطة في الخلايا أثناء نمو البكتيريا. يتوهج البروتين الفلوري عندما تكون البكتيريا نشطة وداكنة عندما لا تكون كذلك. لاحظ الباحثون ، من خلال مراقبة المستعمرات ، أن البكتيريا الموجودة على حافة المستعمرة كانت خضراء زاهية ، بينما كان المركز داكنًا.
قال دوتا: “تعمل المستعمرة أساسًا كمحور وقذيفة بطرق مختلفة جدًا”.
قال داتا إن النظرية هي أن البكتيريا الموجودة على حواف المستعمرة تمتص معظم العناصر الغذائية والأكسجين ، تاركة القليل للبكتيريا الموجودة بداخلها.
قال دوتا: “نعتقد أنهم غير نشيطين لأنهم يتضورون جوعاً” ، على الرغم من أنه حذر من أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتحقيق في هذا الأمر.
قال دوتا إن التجارب والنماذج الرياضية التي استخدمها الباحثون وجدت أن هناك حدًا أعلى لعدد النتوءات التي يمكن أن تتشكل على أسطح المستعمرات. السطح المسطح هو نتيجة للاختلافات العشوائية في الأكسجين والمواد المغذية في البيئة ، ولكن العشوائية حتى ضمن حدود معينة.
وقال “هذا هو الحجم الذي يمكن أن ينمو فيه الصليبيون – حجم الزهيرات مقارنة بالبروكلي”. “لقد تمكنا من توقع ذلك من خلال الرياضيات ، ويبدو أنه سمة حتمية لنمو المستعمرات الكبيرة في صورة ثلاثية الأبعاد.”
قال دوتا ، لأن النمو البكتيري يميل إلى اتباع نمط مشابه لنمو البلورات والظواهر المدروسة جيدًا للأشياء الأخرى غير الحية ، تمكن الباحثون من تكييف النماذج الرياضية القياسية لتقليد نمو البكتيريا. وقال إن الأبحاث المستقبلية ستركز على الآليات الكامنة وراء النمو ، والآثار المترتبة على أنماط النمو التقريبية لوظيفة المستعمرة ، وتطبيق هذه الدروس على مجالات الاهتمام الأخرى.
وقال: “في النهاية ، يمنحنا هذا العمل أدوات إضافية لفهم كيفية نمو البكتيريا في الطبيعة والتحكم فيها في النهاية”.
المرجع: أليخاندرو مارتينيز كالفو ، ثابوموي بهاتاتشارجي ، ر. كوناني باي ، هاو نكي لو ، آنا م. هانكوك ، نيد س. فينجرين وسوجيث س. دوتا ، 18 أكتوبر 2022 ، 2022 ، 2021 وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
DOI: 10.1073 / pnas.2208019119
تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، ومؤسسة نيوجيرسي الصحية ، والمعاهد الوطنية للصحة ، وصندوق إريك وويندي شميدت للتكنولوجيا التحويلية ، وصندوق بيو للعلماء الطبيين ، وبرنامج حدود الإنسان للعلوم.
“متعصب للموسيقى. مستكشف متواضع جدا. محلل. متعصب للسفر. مدرس تلفزيوني متطرف. لاعب.”