Científicos de Princeton resuelven un misterio microbiano

Los investigadores pudieron observar el crecimiento tridimensional de las colonias bacterianas. Crédito: Neil Adelantar/Universidad de Princeton

Los investigadores encontraron que las colonias bacterianas forman formas rugosas tridimensionales que se asemejan a cristales.

Las colonias de bacterias a menudo crecen en capas en las placas de Petri en los laboratorios, pero nadie ha entendido cómo se organizan las colonias en sus entornos tridimensionales (3-D) más realistas, como tejidos y geles en el cuerpo humano o suelo y sedimentos ambientales. . , hasta ahora. Este conocimiento podría ser importante para el avance de la investigación médica y ambiental.

a Universidad de Princeton el equipo ahora ha desarrollado un método para observar bacterias en entornos tridimensionales. Descubrieron que cuando las bacterias crecen, sus colonias forman constantemente formas fascinantes y ásperas que se asemejan a una cabeza ramificada de brócoli, mucho más complejas que las que aparecen en una placa de Petri.

«Desde el descubrimiento de las bacterias hace más de 300 años, la mayoría de las investigaciones de laboratorio las han estudiado en tubos de ensayo o en placas de Petri», dijo Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio. Este fue el resultado de limitaciones prácticas más que de una falta de curiosidad. “Si está tratando de observar el crecimiento bacteriano en el tejido o el suelo, son opacos y realmente no puede ver lo que está haciendo la colonia. Ese ha sido realmente el desafío».

Investigadores Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica, Alejandro Martinez-Calvo, investigador postdoctoral, y Anna Hancock, estudiante de posgrado de ingeniería química y biológica. Crédito: David Kelly Crowe para la Universidad de Princeton

El equipo de investigación de Datta descubrió este comportamiento utilizando equipos experimentales innovadores que les permitieron realizar observaciones nunca antes vistas de colonias bacterianas en su estado tridimensional natural. Inesperadamente, los científicos descubrieron que el crecimiento de las colonias silvestres se parecía constantemente a otros fenómenos naturales, como el crecimiento de cristales o la propagación de escarcha en el cristal de una ventana.

«Estos tipos de formas gruesas y ramificadas son omnipresentes en la naturaleza, pero generalmente en el contexto de sistemas no vivos en crecimiento o aglomerados», dijo Data. «Lo que descubrimos es que las colonias de bacterias que crecen en 3D muestran un proceso muy similar, a pesar de que son colectivos de organismos vivos».

Esta nueva explicación de cómo se desarrollan las colonias bacterianas en tres dimensiones se publicó recientemente en la revista Boletín Científico de la Academia Nacional de Ciencias. Datta y sus colegas esperan que sus hallazgos ayuden a una amplia gama de investigaciones sobre el crecimiento bacteriano, desde la creación de agentes antimicrobianos más efectivos hasta la investigación farmacéutica, médica y ambiental, así como los procedimientos para aprovechar las bacterias para uso industrial.

Investigadores de Princeton en el laboratorio. Crédito: David Kelly Crowe para la Universidad de Princeton

«En un nivel fundamental, estamos entusiasmados de que este trabajo revele conexiones sorprendentes entre la evolución de la forma y la función en los sistemas biológicos y los estudios de los procesos de crecimiento no vivo en la ciencia de los materiales y la física estadística. Pero también, creemos que esta nueva visión de cuándo y dónde crecen las células en 3D será de interés para cualquier persona interesada en el crecimiento bacteriano, como aplicaciones ambientales, industriales y biomédicas”, dijo Data.

Durante varios años, el equipo de investigación de Datta ha desarrollado un sistema que permite el análisis de fenómenos que normalmente están cubiertos por un medio impermeable, como el líquido que fluye a través de los suelos. El equipo utiliza hidrogeles especialmente diseñados, que son polímeros que absorben agua similares a los geles y polímeros de lentes de contacto, como matrices que favorecen el crecimiento bacteriano en 3D. A diferencia de los hidrogeles convencionales, los materiales de Datta están compuestos de esferas de hidrogel extremadamente pequeñas que las bacterias deforman fácilmente, permiten el paso libre de oxígeno y nutrientes que promueven el crecimiento bacteriano y son transparentes a la luz.

“Es como una piscina de bolas donde cada bola es un hidrogel individual. Son microscópicos, así que realmente no puedes verlos”, dijo Datta. El equipo de investigación calibró la composición de hidrogel para imitar la estructura del suelo o tejido. El hidrogel es lo suficientemente fuerte como para soportar una colonia bacteriana en crecimiento sin presentar suficiente resistencia para limitar el crecimiento.

«A medida que las colonias bacterianas crecen en la matriz de hidrogel, pueden reorganizar fácilmente las perlas a su alrededor para que no queden atrapadas», dijo. “Es como meter la mano en una piscina de bolas. Si tiras de él, las bolas se reacomodan alrededor de tu mano».

Los investigadores experimentaron con cuatro tipos diferentes de bacterias (incluida una que ayuda a crear el sabor agrio de la kombucha) para ver cómo crecían en tres dimensiones.

«Cambiamos los tipos de células, las condiciones de los nutrientes, las propiedades del hidrogel», dijo Data. Los investigadores observaron los mismos patrones de crecimiento irregulares en cada caso. «Cambiamos sistemáticamente todos esos parámetros, pero parece ser un fenómeno general».

Los datos dijeron que dos factores parecen haber causado el crecimiento de la forma de brócoli en la superficie de la colonia. Primero, las bacterias con acceso a altos niveles de nutrientes u oxígeno crecerán y se multiplicarán más rápido que aquellas en ambientes menos abundantes. Incluso los ambientes más extraños tienen una densidad de nutrientes desigual, y estas variaciones hacen que las manchas en la superficie de la colonia avancen o se retrasen. Repetido en tres dimensiones, esto hace que la colonia bacteriana forme manchas y nódulos a medida que ciertos subgrupos de bacterias crecen más rápido que sus vecinos.

En segundo lugar, los investigadores observaron que durante el crecimiento tridimensional, solo crecían y se dividían las bacterias cerca de la superficie de la colonia. Las bacterias acurrucadas en el centro de la colonia parecían estar inactivas. Debido a que las bacterias del interior no crecieron ni se dividieron, la superficie exterior no estuvo sujeta a la presión que haría que se expandiera uniformemente. En cambio, su expansión está impulsada principalmente por el crecimiento a lo largo de la periferia de la colonia. Y el crecimiento a lo largo de la punta está sujeto a fluctuaciones de nutrientes que finalmente conducen a un crecimiento irregular y desigual.

“Si el crecimiento fuera uniforme y no hubiera diferencia entre las bacterias dentro de la colonia y las bacterias en la periferia, sería como inflar un globo”, dijo Alejandro Martínez-Calvo, investigador postdoctoral en Princeton y primer autor del artículo. . «La presión interna compensará cualquier ansiedad en la periferia».

Para explicar por qué no hubo supresión, los investigadores agregaron una etiqueta fluorescente a las proteínas que se activan en las células cuando las bacterias crecen. La proteína fluorescente se enciende cuando las bacterias están activas y permanece oscura cuando no lo están. Al observar las colonias, los investigadores vieron que las bacterias en el borde de la colonia eran de color verde brillante, mientras que el núcleo permanecía oscuro.

«La colonia esencialmente se autoorganiza en un núcleo y un caparazón que se comportan de maneras muy diferentes», dijo Data.

Datta dijo que la teoría es que las bacterias en los bordes de la colonia recolectan la mayor parte de los nutrientes y el oxígeno, dejando poco para las bacterias del interior.

«Creemos que están durmiendo porque tienen hambre», dijo Data, aunque advirtió que se necesita más investigación para averiguarlo.

Datta dijo que los experimentos y los modelos matemáticos utilizados por los investigadores encontraron que existe un límite superior para la cantidad de ampollas que se forman en las superficies de las colonias. Una superficie irregular es el resultado de fluctuaciones aleatorias de oxígeno y nutrientes en el medio ambiente, pero la aleatoriedad tiende a estabilizarse dentro de ciertos límites.

«La aspereza tiene un límite superior en cuanto a su tamaño: el tamaño de un florete, si se compara con el brócoli», dijo. «Pudimos predecir esto matemáticamente, y parece ser una característica inevitable de las grandes colonias que crecen en 3D».

Debido a que el crecimiento bacteriano tendió a seguir el crecimiento de cristales y otros fenómenos bien estudiados en la materia inanimada, dijo Datta, los investigadores pudieron adaptar modelos matemáticos estándar para reflejar el crecimiento bacteriano. Dijo que la investigación futura probablemente se centrará en una mejor comprensión de los mecanismos detrás del crecimiento, las implicaciones de los patrones de crecimiento bruto para el rendimiento de la colonia y la aplicación de estas lecciones a otras áreas de interés.

«En última instancia, este trabajo nos brinda más herramientas para comprender y, en última instancia, controlar cómo crecen las bacterias en la naturaleza», dijo.

Referencia. «Inestabilidad morfológica y engrosamiento de colonias bacterianas 3D en crecimiento» por Alejandro Martinez-Calvo, Tapomoy Bhattacharjee, R. Konane Bei, Hao Ngi Lui, Anna M. HancockNed S. Wingren y Sujit S. Boletín Científico de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

La investigación fue financiada por la National Science Foundation, la New Jersey Health Foundation, los National Institutes of Health, la Eric and Wendy Schmidt Foundation for Transformative Technologies, la Pew Biomedical Scholars Foundation y el Human Frontier Science Program.