علماء برينستون يحلون لغزًا بكتيريًا

وجد الباحثون أن مستعمرات البكتيريا تتشكل في ثلاثة أبعاد بأشكال خشنة تشبه البلورات.

غالبًا ما تنمو المستعمرات البكتيرية في خطوط على أطباق بتري في المختبرات ، لكن لم يفهم أحد كيف ترتب 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 لرصد البكتيريا في البيئات ثلاثية الأبعاد. اكتشفوا أنه عندما تنمو البكتيريا ، تشكل مستعمراتها باستمرار أشكالًا خشنة رائعة تشبه رأس البروكلي المتفرعة ، وهي أكثر تعقيدًا بكثير مما نراه في طبق بتري.

قال سوجيت داتا ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة برينستون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “منذ اكتشاف البكتيريا منذ أكثر من 300 عام ، قامت معظم الأبحاث المعملية بدراستها في أنابيب اختبار أو على أطباق بتري”. كان هذا نتيجة لحدود عملية وليس قلة الفضول. “إذا حاولت مشاهدة البكتيريا تنمو في الأنسجة أو في التربة ، فهذه غير شفافة ، ولا يمكنك في الواقع رؤية ما تفعله المستعمرة. كان هذا هو التحدي الحقيقي “.

الباحثان Sujit Datta ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية ، وأليخاندرو مارتينيز كالفو ، باحث ما بعد الدكتوراه ، وآنا هانكوك ، طالبة الدراسات العليا في الهندسة الكيميائية والبيولوجية. الائتمان: ديفيد كيلي كرو من جامعة برينستون

اكتشفت مجموعة داتا البحثية هذا السلوك باستخدام إعداد تجريبي رائد يمكّنهم من إجراء ملاحظات لم يسمع بها من قبل للمستعمرات البكتيرية في حالتها الطبيعية ثلاثية الأبعاد. بشكل غير متوقع ، اكتشف العلماء أن نمو المستعمرات البرية يشبه باستمرار ظواهر طبيعية أخرى مثل نمو البلورات أو انتشار الصقيع على زجاج النافذة.

قال داتا: “هذه الأنواع من الأشكال الخشنة المتفرعة موجودة في كل مكان بطبيعتها ، ولكن عادةً في سياق النظم غير الحية المتنامية أو المتكتلة”. “ما وجدناه هو أن النمو في المستعمرات البكتيرية ثلاثية الأبعاد تظهر عملية مشابهة جدًا على الرغم من حقيقة أن هذه مجموعات من الكائنات الحية.”

نُشر هذا التفسير الجديد لكيفية تطور مستعمرات البكتيريا في ثلاثة أبعاد مؤخرًا في المجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. يأمل داتا وزملاؤه أن تساعد اكتشافاتهم في مجموعة واسعة من أبحاث النمو البكتيري ، بدءًا من إنشاء مضادات ميكروبات أكثر فاعلية إلى الأبحاث الصيدلانية والطبية والبيئية ، فضلاً عن الإجراءات التي تسخر البكتيريا للاستخدام الصناعي.

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 ودراسات عمليات النمو غير الحية في علم المواد والفيزياء الإحصائية. لكننا نعتقد أيضًا أن هذه النظرة الجديدة حول متى وأين تنمو الخلايا ثلاثية الأبعاد ستكون موضع اهتمام أي شخص مهتم بالنمو البكتيري ، كما هو الحال في التطبيقات البيئية والصناعية والطبية الحيوية ، “قال داتا.

لعدة سنوات ، طور فريق بحث Datta نظامًا يسمح لهم بتحليل الظواهر التي عادة ما تكون مغطاة في ظروف غير شفافة ، مثل تدفق السوائل عبر التربة. يستخدم 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 تلك الإصدارات الشائعة من الهلاميات المائية ، تتكون مواد داتا من كرات صغيرة جدًا من الهيدروجيل يمكن تشويهها بسهولة بواسطة البكتيريا ، وتسمح بالمرور الحر للأكسجين والمواد المغذية التي تدعم نمو البكتيريا وتكون شفافة للضوء.

“إنها مثل حفرة الكرة حيث كل كرة عبارة عن هيدروجيل فردي. قال داتا: “إنها مجهرية ، لذا لا يمكنك رؤيتها حقًا”. قام فريق البحث بمعايرة تركيبة الهيدروجيل لتقليد بنية التربة أو الأنسجة. الهيدروجيل قوي بما يكفي لدعم نمو المستعمرة البكتيرية دون تقديم مقاومة كافية لتقييد النمو.

وقال: “مع نمو المستعمرات البكتيرية في مصفوفة الهيدروجيل ، يمكنها بسهولة إعادة ترتيب الكرات من حولها حتى لا يتم حصرها”. “الأمر أشبه بإغراق ذراعك في حفرة الكرة. إذا قمت بسحبها من خلالها ، فإن الكرات تعيد ترتيب نفسها حول ذراعك “.

أجرى الباحثون تجارب على أربعة أنواع مختلفة من البكتيريا (بما في ذلك نوع يساعد على توليد طعم لاذع للكومبوتشا) لمعرفة كيف نمت في ثلاثة أبعاد.

قال داتا: “لقد غيرنا أنواع الخلايا ، وظروف المغذيات ، وخصائص الهيدروجيل”. رأى الباحثون نفس أنماط النمو الخشنة في كل حالة. “لقد غيّرنا كل هذه المعايير بشكل منهجي ، ولكن يبدو أن هذه ظاهرة عامة.”

قال داتا إن عاملين يبدو أنهما يتسببان في نمو على شكل القرنبيط على سطح المستعمرة. أولاً ، ستنمو البكتيريا التي تتمتع بمستويات عالية من العناصر الغذائية أو الأكسجين وتتكاثر بشكل أسرع من تلك الموجودة في بيئة أقل وفرة. حتى البيئات الأكثر اتساقًا لديها بعض الكثافة غير المتكافئة من العناصر الغذائية ، وتتسبب هذه الاختلافات في زيادة البقع في سطح المستعمرة للأمام أو التخلف عن الركب. يتكرر هذا في ثلاثة أبعاد ، مما يجعل مستعمرة البكتيريا تشكل نتوءات وعقيدات حيث تنمو بعض المجموعات الفرعية من البكتيريا بسرعة أكبر من جيرانها.

ثانيًا ، لاحظ الباحثون أنه في النمو ثلاثي الأبعاد ، فقط البكتيريا القريبة من سطح المستعمرة تنمو وتنقسم. يبدو أن البكتيريا المحشورة في وسط المستعمرة تنزل إلى حالة سبات. نظرًا لأن البكتيريا الموجودة في الداخل لم تكن تنمو وتنقسم ، فإن السطح الخارجي لم يتعرض لضغط من شأنه أن يتسبب في تمدده بالتساوي. بدلاً من ذلك ، فإن توسعها مدفوع بشكل أساسي بالنمو على طول حافة المستعمرة. ويخضع النمو على طول الحافة لتغيرات المغذيات التي تؤدي في النهاية إلى نمو غير منتظم وغير منتظم.

قال أليخاندرو مارتينيز كالفو ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون والمؤلف الأول للصحيفة: “إذا كان النمو موحدًا ، ولم يكن هناك فرق بين البكتيريا الموجودة داخل المستعمرة وتلك الموجودة على الأطراف ، فسيكون ذلك بمثابة ملء بالون”. “الضغط من الداخل سوف يملأ أي اضطرابات على الأطراف.”

لتفسير سبب عدم وجود هذا الضغط ، أضاف الباحثون علامة فلورية إلى البروتينات التي تصبح نشطة في الخلايا عندما تنمو البكتيريا. يضيء البروتين الفلوري عندما تكون البكتيريا نشطة وتبقى داكنة عندما لا تكون كذلك. من خلال مراقبة المستعمرات ، رأى الباحثون أن البكتيريا الموجودة على حافة المستعمرة كانت خضراء زاهية ، بينما ظل اللب داكنًا.

قال داتا: “إن المستعمرة تنظم نفسها بشكل أساسي في قلب وصدفة تتصرفان بطرق مختلفة جدًا”.

قال داتا إن النظرية هي أن البكتيريا الموجودة على حواف المستعمرة تلتقط معظم العناصر الغذائية والأكسجين ، تاركة القليل للبكتيريا الداخلية.

قال داتا: “نعتقد أنهم في حالة سبات لأنهم يعانون من الجوع” ، على الرغم من أنه حذر من أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف هذا الأمر.

قال داتا إن التجارب والنماذج الرياضية التي استخدمها الباحثون وجدت أن هناك حدًا أعلى للنتوءات التي تشكلت على أسطح المستعمرة. السطح الوعر هو نتيجة للاختلافات العشوائية في الأكسجين والمغذيات في البيئة ، ولكن العشوائية تميل إلى أن تكون متساوية ضمن حدود معينة.

وقال: “الخشونة لها حد أعلى لمدى كبر حجمها – حجم الزهيرة إذا قارناها بالبروكلي”. “تمكنا من توقع ذلك من خلال الرياضيات ، ويبدو أنه سمة حتمية لنمو المستعمرات الكبيرة في صورة ثلاثية الأبعاد.”

نظرًا لأن النمو البكتيري يميل إلى اتباع نمط مشابه لنمو البلورات وظواهر أخرى مدروسة جيدًا للمواد غير الحية ، قال داتا إن الباحثين تمكنوا من تكييف النماذج الرياضية القياسية لتعكس نمو البكتيريا. وقال إن الأبحاث المستقبلية ستركز على الأرجح على فهم أفضل للآليات الكامنة وراء النمو ، والآثار المترتبة على أشكال النمو الخام لعمل المستعمرة ، وتطبيق هذه الدروس على مجالات الاهتمام الأخرى.

قال: “في النهاية ، يمنحنا هذا العمل المزيد من الأدوات لفهم ، وفي النهاية التحكم ، كيف تنمو البكتيريا في الطبيعة”.

المرجع: “عدم الاستقرار المورفولوجي وخشونة نمو المستعمرات البكتيرية ثلاثية الأبعاد” بقلم أليخاندرو مارتينيز كالفو ، تابوموي بهاتاشارجي ، آر كونان باي ، هاو نجي لو ، آنا إم هانكوك ، نيد س. وينجرين وسوجيت إس داتا ، 18 أكتوبر 2022 ، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
DOI: 10.1073 / pnas.2208019119

تم تمويل الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، ومؤسسة نيو جيرسي الصحية ، والمعاهد الوطنية للصحة ، وصندوق إريك وويندي شميدت للتكنولوجيا التحويلية ، وصندوق بيو للعلماء الطبيين ، وبرنامج العلوم الحدودية البشرية.