Gli scienziati di Princeton risolvono un mistero batterico

I ricercatori hanno scoperto che le colonie di batteri si formano in tre dimensioni con forme ruvide simili a cristalli.

Le colonie batteriche spesso crescono in fila sulle piastre di Petri nei laboratori, ma nessuno ha capito come le colonie si dispongano in ambienti 3D più realistici, come tessuti e gel nei corpi umani o suolo e sedimenti nell’ambiente, fino ad ora. Questa conoscenza può essere importante per il progresso della ricerca ambientale e medica.

un università di Princeton Il team ha ora sviluppato un modo per monitorare i batteri in ambienti 3D. Hanno scoperto che man mano che i batteri crescono, le loro colonie formano continuamente forme meravigliosamente frastagliate che ricordano una testa ramificata di broccoli, molto più complesse di quelle che vediamo in una capsula di Petri.

“Da quando i batteri sono stati scoperti più di 300 anni fa, la maggior parte delle ricerche di laboratorio li ha studiati in provette o su piastre di Petri”, ha affermato Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica presso l’Università di Princeton e autore principale dello studio. Questo era il risultato di limitazioni pratiche piuttosto che di una mancanza di curiosità. “Se provi a guardare i batteri crescere nei tessuti o nel suolo, questi sono opachi e non puoi effettivamente vedere cosa sta facendo la colonia. Questa è stata la vera sfida”.

I ricercatori sono Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica, Alejandro Martínez Calvo, ricercatore post-dottorato, e Ana Hancock, studentessa laureata in ingegneria chimica e biologica. Credito: David Kelly Crowe dell’Università di Princeton

Il gruppo di ricerca di Data ha scoperto questo comportamento utilizzando una configurazione sperimentale pionieristica che consente loro di effettuare osservazioni mai viste prima delle colonie batteriche nel loro stato tridimensionale naturale. Inaspettatamente, gli scienziati hanno scoperto che la crescita delle colonie selvatiche assomiglia costantemente ad altri fenomeni naturali come la crescita dei cristalli o la diffusione del gelo sui vetri delle finestre.

“Questi tipi di forme frastagliate e ramificate sono onnipresenti in natura, ma di solito nel contesto di sistemi inanimati in crescita o agglomerati”, ha detto Datta. “Quello che abbiamo scoperto è che la crescita nelle colonie batteriche 3D mostra un processo molto simile nonostante si tratti di gruppi di organismi”.

Questa nuova spiegazione di come le colonie di batteri si evolvono in tre dimensioni è stata recentemente pubblicata sulla rivista Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze. Datta e i suoi colleghi sperano che le loro scoperte aiutino un’ampia gamma di ricerche sulla crescita batterica, dalla creazione di antimicrobici più efficaci alla ricerca farmaceutica, medica e ambientale, nonché procedure che sfruttano i batteri per uso industriale.

Ricercatori di Princeton in laboratorio. Credito: David Kelly Crowe dell’Università di Princeton

“A un livello fondamentale, siamo entusiasti che questo lavoro stia rivelando connessioni sorprendenti tra l’evoluzione della forma e della funzione nei sistemi biologici e gli studi sui processi di crescita non viventi nella scienza dei materiali e nella fisica statistica. Ma crediamo anche che questa nuova visione quando e dove le cellule crescono in 3D sarà interessante per chiunque sia interessato alla crescita batterica, come ad esempio nelle applicazioni ambientali, industriali e biomediche”, ha affermato Datta.

Da diversi anni il team di ricerca di Datta ha sviluppato un sistema che permette di analizzare fenomeni che normalmente sarebbero coperti in condizioni opache, come il flusso di fluidi attraverso il suolo. Il team utilizza idrogel appositamente progettati, che sono polimeri che assorbono l’acqua simili a quelli che si trovano nelle lenti a contatto e nelle gelatine, come matrici per supportare la crescita dei batteri in 3D. A differenza di quelle versioni comuni di idrogel, i materiali Data sono costituiti da sfere molto piccole di idrogel che vengono facilmente deformate dai batteri, consentono il libero passaggio di ossigeno e sostanze nutritive che supportano la crescita batterica e sono trasparenti alla luce.

“È come una vasca di palline in cui ogni pallina è un singolo idrogel. È microscopico, quindi non puoi davvero vederlo”, ha detto Datta.Il team di ricerca ha calibrato la composizione dell’idrogel per imitare la struttura del suolo o del tessuto. è abbastanza forte da sostenere la crescita della colonia batterica senza introdurre resistenza sufficiente a limitare la crescita.

“Man mano che le colonie batteriche crescono nella matrice dell’idrogel, possono facilmente riorganizzare i globuli intorno a sé in modo che non rimangano intrappolati”, ha detto. “È come affondare il braccio in una fossa di palline. Se lo fai passare, le palline si riorganizzano attorno al tuo braccio.”

I ricercatori hanno sperimentato quattro diversi tipi di batteri (incluso uno che aiuta a creare il sapore pungente del kombucha) per vedere come crescono in tre dimensioni.

“Abbiamo cambiato i tipi di cellule, le condizioni dei nutrienti e le proprietà dell’idrogel”, ha detto Datta. I ricercatori hanno visto gli stessi modelli di crescita grossolani in ogni caso. “Abbiamo sistematicamente modificato tutti questi parametri, ma questo sembra essere un fenomeno generale”.

Data ha detto che due fattori sembrano causare escrescenze a forma di cavolfiore sulla superficie della colonia. In primo luogo, i batteri con livelli più elevati di nutrienti o ossigeno cresceranno e si moltiplicheranno più velocemente di quelli in un ambiente meno abbondante. Anche gli ambienti più coerenti hanno densità di nutrienti irregolari e queste differenze fanno sì che i punti sulla superficie della colonia si spostino in avanti o restino indietro. Questo si ripete in tre dimensioni, facendo sì che la colonia di batteri formi protuberanze e noduli mentre alcuni sottoinsiemi di batteri crescono più rapidamente dei loro vicini.

In secondo luogo, i ricercatori notano che nella crescita 3D, solo i batteri vicino alla superficie della colonia crescono e si dividono. I batteri schiacciati al centro della colonia sembrano scendere in uno stato di ibernazione. Poiché i batteri all’interno non crescevano e non si dividevano, l’esterno non subiva una pressione tale da causarne l’espansione uniforme. Invece, la sua espansione è guidata principalmente dalla crescita lungo il bordo della colonia. La crescita lungo il bordo è soggetta a cambiamenti nutritivi che alla fine portano a una crescita stentata e irregolare.

“Se la crescita fosse uniforme e non ci fosse alcuna differenza tra i batteri all’interno della colonia e quelli alla periferia, sarebbe come riempire un pallone”, ha detto Alejandro Martínez Calvo, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Princeton e primo autore dell’articolo. . “La pressione dall’interno riempirà qualsiasi tumulto alle estremità.”

Per spiegare perché questo stress non era presente, i ricercatori hanno aggiunto un tag fluorescente alle proteine ​​che diventano attive nelle cellule quando i batteri crescono. La proteina fluorescente si illumina quando i batteri sono attivi e rimane scura quando non lo sono. Osservando le colonie, i ricercatori hanno visto che i batteri ai margini della colonia erano di un verde brillante, mentre il nucleo rimaneva scuro.

“La colonia sostanzialmente si organizza in un nucleo e un guscio che si comportano in modi molto diversi”, ha detto Datta.

La teoria, ha detto Datta, è che i batteri ai bordi della colonia raccolgono la maggior parte dei nutrienti e dell’ossigeno, lasciando poco per i batteri interni.

“Pensiamo che vadano in letargo perché hanno fame”, ha detto Datta, anche se ha avvertito che sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare questo.

Data ha affermato che gli esperimenti e i modelli matematici utilizzati dai ricercatori hanno scoperto che esisteva un limite superiore alle creste che si formavano sulle superfici della colonia. La superficie irregolare è il risultato di differenze casuali di ossigeno e sostanze nutritive nell’ambiente, ma la casualità tende ad essere anche entro certi limiti.

“La rugosità ha un limite superiore a quanto può essere grande: la dimensione di un fiore se la confrontiamo con un broccolo”, ha detto. “Siamo stati in grado di prevederlo con la matematica, e sembra essere una caratteristica inevitabile della crescita di grandi colonie in 3D”.

Poiché la crescita batterica tende a seguire un modello simile alla crescita dei cristalli e ad altri fenomeni ben studiati di materiali non viventi, Datta ha affermato che i ricercatori sono stati in grado di adattare modelli matematici standard per riflettere la crescita batterica. Ha affermato che la ricerca futura si concentrerà probabilmente su una migliore comprensione dei meccanismi alla base della crescita, le implicazioni per le forme di crescita approssimativa del funzionamento della colonia e l’applicazione di queste lezioni ad altre aree di interesse.

“In definitiva, questo lavoro ci offre più strumenti per comprendere e, in ultima analisi, controllare come i batteri crescono in natura”, ha affermato.

Riferimento: “Instabilità morfologica e grossolanità della crescita di colonie batteriche tridimensionali” di Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen e Sojit S-Data, 18 ottobre 2022, disponibile qui. Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation, dalla New Jersey Health Foundation, dai National Institutes of Health, dall’Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, dal Pew Medical Scientists Fund e dallo Human Frontier Science Program.