Các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát sự phát triển vón cục của các khuẩn lạc vi khuẩn trong không gian ba chiều. Tín dụng: Neil Adelantar/Đại học Princeton

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các khuẩn lạc của vi khuẩn được hình thành trong không gian ba chiều với hình dạng giống như pha lê, thô ráp.

Các khuẩn lạc vi khuẩn thường mọc thành hàng trên các đĩa Petri trong phòng thí nghiệm, nhưng cho đến nay, không ai hiểu làm thế nào các khuẩn lạc tự sắp xếp trong môi trường 3D thực tế hơn, chẳng hạn như mô và gel trong cơ thể người hoặc đất và trầm tích trong môi trường. Kiến thức này có thể quan trọng cho sự tiến bộ của nghiên cứu môi trường và y tế.

một Trường Đại học Princeton Nhóm hiện đã phát triển một cách để theo dõi vi khuẩn trong môi trường 3D. Họ phát hiện ra rằng khi vi khuẩn phát triển, các khuẩn lạc của chúng liên tục hình thành những hình răng cưa tuyệt đẹp giống như đầu bông cải xanh phân nhánh, phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta thấy trong đĩa petri.

Sujit Datta, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại Đại học Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Kể từ khi vi khuẩn được phát hiện cách đây hơn 300 năm, hầu hết các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã nghiên cứu chúng trong ống nghiệm hoặc trên đĩa petri”. Đây là kết quả của những hạn chế thực tế hơn là do thiếu tính tò mò. “Nếu bạn cố gắng quan sát vi khuẩn phát triển trong mô hoặc trong đất, chúng mờ đục và bạn không thể thực sự nhìn thấy thuộc địa đang làm gì. Đó là thách thức thực sự.”

Các nhà nghiên cứu là Sujit Datta, trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học, Alejandro Martínez Calvo, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và Ana Hancock, nghiên cứu sinh về kỹ thuật hóa học và sinh học. Tín dụng: David Kelly Crowe của Đại học Princeton

Nhóm nghiên cứu của Data đã phát hiện ra hành vi này bằng cách sử dụng thiết lập thử nghiệm tiên phong cho phép họ thực hiện các quan sát chưa từng có trước đây về các khuẩn lạc vi khuẩn ở trạng thái ba chiều tự nhiên của chúng. Thật bất ngờ, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng sự phát triển của các thuộc địa hoang dã luôn giống với các hiện tượng tự nhiên khác như sự phát triển của tinh thể hoặc băng giá lan rộng trên kính cửa sổ.

Datta cho biết: “Những loại hình dạng răng cưa, phân nhánh này có mặt khắp nơi trong tự nhiên, nhưng thường là trong bối cảnh các hệ thống vô tri vô giác đang phát triển hoặc kết cụm lại”. “Những gì chúng tôi tìm thấy là sự phát triển trong các quần thể vi khuẩn 3D thể hiện một quá trình rất giống nhau mặc dù thực tế đây là những nhóm sinh vật.”

Lời giải thích mới này về cách các đàn vi khuẩn phát triển theo không gian ba chiều đã được công bố gần đây trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Datta và các đồng nghiệp của ông hy vọng những khám phá của họ sẽ hỗ trợ nhiều nghiên cứu về sự phát triển của vi khuẩn, từ việc tạo ra thuốc chống vi trùng hiệu quả hơn đến nghiên cứu dược phẩm, y tế và môi trường, cũng như các quy trình khai thác vi khuẩn để sử dụng trong công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu Princeton trong phòng thí nghiệm. Tín dụng: David Kelly Crowe của Đại học Princeton

“Ở cấp độ cơ bản, chúng tôi rất vui mừng vì công trình này tiết lộ những mối liên hệ đáng ngạc nhiên giữa sự tiến hóa của hình thức và chức năng trong các hệ thống sinh học và nghiên cứu về các quá trình tăng trưởng không có sự sống trong khoa học vật liệu và vật lý thống kê. Nhưng chúng tôi cũng tin rằng cái nhìn sâu sắc mới này về Khi nào và ở đâu các tế bào phát triển trong mô hình 3D sẽ được quan tâm đối với bất kỳ ai quan tâm đến sự phát triển của vi khuẩn, chẳng hạn như trong các ứng dụng môi trường, công nghiệp và y sinh,” Datta nói.

Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của Datta đã phát triển một hệ thống cho phép họ phân tích các hiện tượng thường ẩn giấu trong các điều kiện mờ đục, chẳng hạn như dòng chảy của chất lỏng trong đất. Nhóm nghiên cứu sử dụng hydrogel được thiết kế đặc biệt, là loại polyme thấm nước tương tự như chất có trong kính áp tròng và thạch, làm chất nền hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn trong không gian 3D. Không giống như các phiên bản hydrogel thông thường đó, Vật liệu dữ liệu bao gồm các quả cầu hydrogel rất nhỏ dễ bị vi khuẩn biến dạng, cho phép oxy và chất dinh dưỡng đi qua tự do hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn và trong suốt với ánh sáng.

Datta cho biết: “Nó giống như một hố bóng, trong đó mỗi quả bóng là một hydrogel riêng lẻ. Nó rất nhỏ nên bạn không thể thực sự nhìn thấy nó”. Nhóm nghiên cứu đã hiệu chỉnh thành phần của hydrogel để bắt chước cấu trúc của đất hoặc mô. đủ mạnh để hỗ trợ sự phát triển của khuẩn lạc mà không gây ra sự kháng thuốc, đủ để hạn chế sự phát triển.

Ông nói: “Khi các khuẩn lạc vi khuẩn phát triển trong ma trận hydrogel, chúng có thể dễ dàng sắp xếp lại các khối cầu xung quanh mình để không bị mắc kẹt. “Nó giống như nhúng cánh tay của bạn vào hố bóng. Nếu bạn kéo nó qua, các quả bóng sẽ tự sắp xếp lại xung quanh cánh tay của bạn.”

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với 4 loại vi khuẩn khác nhau (trong đó có một loại giúp tạo ra vị cay nồng của kombucha) để xem cách chúng phát triển trong không gian ba chiều.

Datta cho biết: “Chúng tôi đã thay đổi các loại tế bào, điều kiện dinh dưỡng và đặc tính của hydrogel. Các nhà nghiên cứu đã thấy các mô hình tăng trưởng thô giống nhau trong mọi trường hợp. “Chúng tôi đã thay đổi một cách có hệ thống tất cả các tham số này, nhưng đây dường như là một hiện tượng chung.”

Dữ liệu cho biết có hai yếu tố dường như gây ra sự phát triển hình bông súp lơ trên bề mặt của thuộc địa. Đầu tiên, vi khuẩn có hàm lượng chất dinh dưỡng hoặc oxy cao hơn sẽ phát triển và nhân lên nhanh hơn so với những vi khuẩn trong môi trường ít phong phú hơn. Ngay cả những môi trường ổn định nhất cũng có một số mật độ dinh dưỡng không đồng đều và những khác biệt này khiến các điểm trên bề mặt của thuộc địa di chuyển về phía trước hoặc tụt lại phía sau. Quá trình này lặp lại theo không gian ba chiều, khiến cho quần thể vi khuẩn hình thành các vết sưng và nốt sần do một số nhóm vi khuẩn phát triển nhanh hơn các nhóm vi khuẩn lân cận của chúng.

Thứ hai, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng trong quá trình tăng trưởng 3D, chỉ những vi khuẩn gần bề mặt của khuẩn lạc mới phát triển và phân chia. Vi khuẩn bị đè bẹp ở trung tâm của thuộc địa dường như rơi vào trạng thái ngủ đông. Vì vi khuẩn bên trong không phát triển và phân chia nên bên ngoài không gặp áp lực khiến vi khuẩn nở ra đồng đều. Thay vào đó, sự mở rộng của nó chủ yếu được thúc đẩy bởi sự tăng trưởng dọc theo rìa của thuộc địa. Sự phát triển dọc theo mép có thể bị thay đổi chất dinh dưỡng, cuối cùng dẫn đến sự phát triển còi cọc và thất thường.

Alejandro Martínez Calvo, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Princeton và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Nếu sự tăng trưởng diễn ra đồng đều và không có sự khác biệt giữa vi khuẩn bên trong và vi khuẩn ở bên ngoài, thì nó sẽ giống như lấp đầy một quả bóng bay”. . “Áp lực từ bên trong sẽ lấp đầy bất kỳ rối loạn nào ở các chi.”

Để giải thích tại sao không có sự căng thẳng này, các nhà nghiên cứu đã thêm một thẻ huỳnh quang vào các protein hoạt động trong tế bào khi vi khuẩn phát triển. Protein huỳnh quang phát sáng khi vi khuẩn hoạt động và vẫn tối khi chúng không hoạt động. Bằng cách quan sát các khuẩn lạc, các nhà nghiên cứu thấy rằng vi khuẩn ở rìa của khuẩn lạc có màu xanh sáng, trong khi lõi vẫn tối.

Datta cho biết: “Về cơ bản, quần thể tự tổ chức thành lõi và vỏ hoạt động theo những cách rất khác nhau.

Datta cho biết lý thuyết là vi khuẩn ở rìa của thuộc địa lấy hầu hết các chất dinh dưỡng và oxy, để lại rất ít cho vi khuẩn bên trong.

“Chúng tôi nghĩ rằng chúng ngủ đông vì đói,” Datta nói, mặc dù ông cảnh báo rằng cần phải nghiên cứu thêm để khám phá điều này.

Dữ liệu cho biết rằng các thí nghiệm và mô hình toán học được các nhà nghiên cứu sử dụng đã phát hiện ra rằng có giới hạn trên đối với các đường vân hình thành trên bề mặt của thuộc địa. Bề mặt mấp mô là kết quả của sự khác biệt ngẫu nhiên về oxy và chất dinh dưỡng trong môi trường, nhưng sự ngẫu nhiên đó có xu hướng đều trong giới hạn nhất định.

Ông nói: “Độ nhám có giới hạn trên đối với mức độ lớn của nó – kích thước của một bông hoa nếu chúng ta so sánh nó với bông cải xanh”. “Chúng tôi có thể dự đoán điều này bằng toán học và nó dường như là một đặc điểm không thể tránh khỏi của sự phát triển của các thuộc địa lớn trong không gian 3D.”

Do sự phát triển của vi khuẩn có xu hướng tuân theo một mô hình tương tự như sự phát triển của tinh thể và các hiện tượng khác đã được nghiên cứu kỹ lưỡng về vật liệu không sống, Datta cho biết các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các mô hình toán học tiêu chuẩn để phản ánh sự phát triển của vi khuẩn. Ông cho biết nghiên cứu trong tương lai có thể sẽ tập trung vào việc hiểu rõ hơn về các cơ chế đằng sau sự tăng trưởng, tác động đối với các hình thức tăng trưởng sơ bộ của hoạt động thuộc địa và áp dụng những bài học này vào các lĩnh vực quan tâm khác.

“Cuối cùng, nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ hơn để hiểu và cuối cùng là kiểm soát cách thức vi khuẩn phát triển trong tự nhiên,” ông nói.

Tham khảo: “Sự bất ổn về hình thái và sự phát triển thô của các khuẩn lạc vi khuẩn ba chiều” của Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen và Sojit S-Data, ngày 18 tháng 10 năm 2022, Có sẵn tại đây. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia, Quỹ sức khỏe New Jersey, Viện sức khỏe quốc gia, Quỹ công nghệ chuyển đổi Eric và Wendy Schmidt, Quỹ các nhà khoa học y tế Pew và Chương trình khoa học biên giới con người.