Новый метод позволил увидеть, как бактерии растут в трёх измерениях
Исследователи из Принстона разработали систему, позволяющую впервые наблюдать рост бактериальных колоний в реалистичных трёхмерных (3D) условиях — подобных тканям организма или почве. Ранее из-за непрозрачности таких сред изучение было практически невозможно.
Ключевое открытие
Используя специально созданные гидрогели (полимеры, впитывающие воду), команда смоделировала 3D-среду. Гель состоял из микроскопических шариков, которые бактерии могли легко перемещать, получая при этом кислород и питательные вещества.
В таких условиях колонии четырёх различных видов бактерий (включая одну, участвующую в создании вкуса комбучи) consistently формировали сложные шероховатые формы, напоминающие соцветия брокколи. Это сильно отличается от гладких форм, наблюдаемых в плоской чашке Петри.
Причины "шероховатого" роста
Анализ показал два основных фактора, формирующих такую структуру:
- Неравномерность ресурсов: Даже в однородной среде есть микровариации в доступности питательных веществ и кислорода. Бактерии в более благоприятных "карманах" растут быстрее, создавая бугры и неровности на поверхности колонии.
- "Спящее" ядро: С помощью флуоресцентных меток учёные обнаружили, что активный рост и деление происходят только у бактерий на периферии колонии. Клетки в её центре впадают в дремлющее состояние, вероятно, из-за нехватки ресурсов, которые поглощаются внешним слоем.
Из-за отсутствия внутреннего давления роста (как в надуваемом шаре) расширение колонии определяется лишь ростом её краёв, что усиливает формирование неровной поверхности.
Научное значение
- Фундаментальное: Рост бактериальных колоний в 3D демонстрирует удивительное сходство с абиотическими процессами — ростом кристаллов или распространением инея. Это позволяет применять к биологическим системам математические модели из материаловедения и статистической физики.
- Практическое: Новое понимание того,
где (на поверхности) и когда растут
бактерии в 3D-средах, может быть критически важным для:
Разработки более эффективных антимикробных препаратов
Медицинских, фармацевтических и экологических исследований
Промышленных процессов, использующих бактерии
Исследование показывает, что "шероховатость" поверхности колонии имеет предсказуемый верхний предел размера ("размер соцветия брокколи"), что было подтверждено математическим моделированием.
Работа опубликована 18 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.