基于300多年的研究研究人员开发了一种了解细菌生长的新方法

在实验室中，细菌菌落通常在培养皿中呈条状生长，但直到现在还没有人知道菌落是如何在更逼真的3D(3D)环境中组织起来的，例如我们体内的组织和凝胶，或体内的土壤和沉积物。环境。这些知识对于推进医学和环境研究可能至关重要。

现在，普林斯顿的一个团队发明了一种在3D环境中观察细菌的方法。他们发现，随着细菌的生长，它们的菌落始终形成迷人的粗糙形状，类似于花椰菜的分枝头，比通常在平盘中看到的形状复杂得多。

“自从300多年前发现细菌以来，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SujitDatta说。这是实际限制的结果，而不是缺乏好奇心。“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，你实际上无法看到菌落在做什么。这确实是一个挑战。”

Datta的研究团队使用突破性的实验装置发现了这种行为，使他们能够对处于自然三维状态的细菌菌落进行前所未有的观察。出乎意料的是，研究小组发现野生菌落的生长始终与其他自然现象相似，例如晶体的生长或窗玻璃上霜的蔓延。

“这些粗糙、多枝的形状在自然界中无处不在，但通常是在非生命系统生长或聚集的背景下，”达塔说。“我们发现，在3D中生长的细菌菌落表现出非常相似的过程，尽管它们是活生物体的集合体。”

研究人员在10月18日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中提出了关于细菌菌落如何在三个维度上生长的新描述。Datta和他的合作研究人员希望这些发现将有助于一系列研究，这些研究涉及细菌生长，从开发更有效的抗菌剂到制药、医学和环境研究，以及利用细菌用于工业用途的过程。

“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的研究之间令人惊讶的联系。而且，我们认为这种关于何时任何对细菌生长感兴趣的人都会对细胞在3D中生长的地方感兴趣，例如在环境、工业和生物医学应用中，”Datta说。

几年来，达塔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，例如流经土壤的流体。该团队使用专门设计的水凝胶，这是一种类似于明胶和隐形眼镜中的吸水聚合物，作为支持细菌在3D中生长的基质。与那些常见的水凝胶不同，达塔的材料由极小的水凝胶球组成，这些水凝胶很容易被细菌变形，允许氧气和营养物质自由通过，以支持细菌生长，并且对光透明。

“这就像一个球坑，每个球都是一个单独的水凝胶。它们是微观的，所以你看不到它们，”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持不断增长的细菌菌落，而不会表现出足够的阻力来限制生长。

“随着细菌菌落在水凝胶基质中生长，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，”他说。“这就像把你的手臂伸进球坑里。如果你把它拖过去，球就会重新排列在你的手臂周围。”

研究人员对四种不同的细菌(包括一种有助于产生康普茶酸味的细菌)进行了实验，以了解它们是如何在三个维度上生长的。

“我们改变了细胞类型、营养条件、水凝胶特性，”达塔说。研究人员在每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，但这似乎是一种普遍现象。”

达塔说，似乎有两个因素导致菌落表面出现西兰花状的生长。首先，获得高水平营养或氧气的细菌将比在不太丰富的环境中更快地生长和繁殖。即使是最均匀的环境也有一些不均匀的营养密度，这些变化会导致菌落表面的斑点向前或向后倾斜。在三个维度上重复，这会导致细菌菌落形成肿块和结节，因为某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才会生长和分裂。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，所以外表面没有受到使其均匀膨胀的压力。相反，它的扩张主要是由殖民地边缘的增长驱动的。沿边缘的生长受到营养变化的影响，最终导致颠簸、不均匀的生长。

普林斯顿大学博士后研究员、该论文的第一作者亚历杭德罗·马丁内斯-卡尔沃说：“如果生长是均匀的，并且菌落内的细菌和外围的细菌没有区别，那就像填充气球一样。”来自内部的压力会填补外围的任何扰动。”

为了解释为什么不存在这种压力，研究人员在蛋白质中添加了一个荧光标签，当细菌生长时，这些蛋白质在细胞中变得活跃。当细菌活跃时，荧光蛋白会亮起，而当它们不活跃时，荧光蛋白会保持黑暗。观察菌落，研究人员发现菌落边缘的细菌呈鲜绿色，而核心保持黑色。

达塔说：“菌落本质上是自我组织成核心和外壳，它们的行为方式截然不同细菌。

“我们认为它们正在休眠，因为它们饿了，”达塔说，尽管他警告说需要进一步的研究来探索这一点。

达塔解释说，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，但随机性往往在一定限度内趋于平衡。

“粗糙度有一个它可以生长的上限——小花的大小，如果我们把它和西兰花比较的话，”他说。“我们能够从数学上预测到这一点，这似乎是在3D中生长的大型殖民地的必然特征。”

由于细菌生长倾向于遵循与晶体生长和其他经过充分研究的无生命材料现象相似的模式，达塔说，研究人员能够采用标准数学模型来反映细菌生长。他说，未来的研究可能会集中在更好地了解生长背后的机制，粗略的生长形状对菌落功能的影响，并将这些经验应用于其他感兴趣的领域。

“最终，这项工作为我们提供了更多工具来理解并最终控制细菌在自然界中的生长方式，”他说。