プリンストンの科学者が細菌の謎を解明

研究者は、細菌コロニーの塊状の成長を 3 次元で観察することができました。 クレジット: Neil Adelantar/プリンストン大学

研究者は、バクテリアのコロニーが粗い結晶のような形で三次元的に形成されることを発見しました。

細菌のコロニーは実験室のペトリ皿に並んで成長することがよくありますが、人体の組織やゲル、環境中の土壌や堆積物など、より現実的な 3D 環境でコロニーがどのように配置されるかは、これまで誰も理解していませんでした。 この知識は、環境および医学研究の進歩にとって重要である可能性があります。

a プリンストン大学 チームは現在、3D 環境で細菌を監視する方法を開発しました。 彼らは、バクテリアが成長するにつれて、そのコロニーがブロッコリーの枝分かれした頭部に似た素晴らしいギザギザの形状を継続的に形成することを発見しました。これは、ペトリ皿で見るよりもはるかに複雑です。

「300年以上前にバクテリアが発見されて以来、ほとんどの研究室の研究は試験管やペトリ皿でバクテリアを研究してきました. これは、好奇心の欠如ではなく、実際的な制限の結果でした. 「細菌が組織や土壌で増殖するのを見ようとすると、これらは不透明で、コロニーが何をしているかを実際に見ることはできません。それが本当の課題でした。」

研究者は、化学および生物工学の助教授である Sujit Datta、博士研究員の Alejandro Martínez Calvo、および化学および生物工学の大学院生である Ana Hancock です。 クレジット: プリンストン大学の David Kelly Crowe

Data の研究グループは、自然な 3 次元状態のバクテリア コロニーを前例のない観察を可能にする先駆的な実験装置を使用して、この動作を発見しました。 意外なことに、科学者たちは、野生のコロニーの成長が、結晶の成長や窓ガラスに広がる霜など、他の自然現象と一貫して似ていることを発見しました。

「これらのタイプのギザギザの枝分かれした形状は、本質的にどこにでもありますが、通常は無生物システムの成長または凝集の文脈にあります」とダッタは言いました. 「私たちが見つけたのは、3D細菌コロニーの成長は、これらが生物のグループであるという事実にもかかわらず、非常によく似たプロセスを示すということです.」

細菌のコロニーが 3 次元でどのように進化するかについてのこの新しい説明は、最近ジャーナルに掲載されました。 米国科学アカデミーの議事録. ダッタと彼の同僚は、彼らの発見が、より効果的な抗菌剤の作成から、製薬、医学、環境研究、さらには産業用にバクテリアを利用する手順まで、幅広いバクテリア増殖研究に役立つことを願っています.

研究室にいるプリンストンの研究者。 クレジット: プリンストン大学の David Kelly Crowe

「基本的なレベルでは、この研究が生物学的システムにおける形態と機能の進化と、材料科学と統計物理学における非生物の成長プロセスの研究との間の驚くべきつながりを明らかにしていることに興奮しています。しかし、この新しい洞察は、細胞が 3D でいつ、どこで増殖するかは、環境、産業、生物医学などの用途など、細菌の増殖に関心のある人にとって興味深いものになるでしょう」と Datta 氏は述べています。

数年間、ダッタの研究チームは、土壌を通る流体の流れなど、通常は不透明な状態では隠される現象を分析できるシステムを開発してきました。 チームは、特別に設計されたハイドロゲルを使用します。これは、コンタクト レンズやゼリーに見られるものと同様の吸水性ポリマーで、3D で細菌の増殖をサポートするマトリックスとして使用されます。 ハイドロゲルの一般的なバージョンとは異なり、データ材料は、バクテリアによって容易に変形され、バクテリアの増殖をサポートする酸素と栄養素を自由に通過させ、光に対して透明な、非常に小さな球状のハイドロゲルで構成されています。

「これは、それぞれのボールが個別のハイドロゲルであるボール ピットのようなものです。これは微視的であるため、実際には見ることができません。研究チームは、ハイドロゲルの組成を調整して、土壌または組織の構造を模倣しました。ハイドロゲル耐性を導入することなく細菌コロニーの増殖をサポートするのに十分な強度がある. 増殖を制限するのに十分である.

「バクテリアのコロニーがヒドロゲルマトリックスで成長するにつれて、彼らは自分自身の周りの小球を簡単に再配置できるので、彼らは閉じ込められません. 「ボールピットに腕を沈めるようなものです。腕を引っ張ると、ボールが腕の周りに再配置されます。」

研究者たちは、4 種類の細菌 (コンブチャの刺激的な味を作り出すのに役立つものを含む) を使って実験し、それらがどのように 3 次元で成長するかを調べました。

「細胞の種類、栄養状態、ハイドロゲルの特性を変更しました」と Datta 氏は述べています。 研究者は、すべてのケースで同じ粗い成長パターンを見ました。 「これらすべてのパラメーターを体系的に変更しましたが、これは一般的な現象のようです。」

データによると、2 つの要因がコロニーの表面にカリフラワーの形をした成長を引き起こしているようです。 まず、栄養素や酸素のレベルが高いバクテリアは、より少ない環境にいるバクテリアよりも速く成長し、増殖します。 最も一貫した環境でさえ、不均一な栄養密度があり、これらの違いにより、コロニーの表面の斑点が前進したり遅れたりします. これが 3 次元で繰り返され、バクテリアの一部のサブセットが隣接するバクテリアよりも急速に増殖するにつれて、バクテリアのコロニーが隆起や結節を形成します。

第二に、研究者は、3D 成長では、コロニーの表面近くの細菌のみが成長して分裂することに注目しています。 コロニーの中心に押しつぶされたバクテリアは、冬眠状態に降りるようです。 内部のバクテリアは増殖も分裂もしなかったため、外部は均等に膨張するような圧力を受けませんでした。 代わりに、その拡大は主にコロニーの端に沿った成長によって促進されます。 端に沿った成長は、最終的に発育不全で不規則な成長につながる栄養素の変化の影響を受けます.

プリンストン大学のポスドク研究員で論文の筆頭著者であるアレハンドロ・マルティネス・カルボ氏は、「増殖が均一で、コロニー内のバクテリアと周辺のバクテリアに違いがなければ、風船を膨らませるようなものになるだろう」と語った。 . 「内側からの圧力が四肢の混乱を埋めます。」

このストレスが存在しなかった理由を説明するために、研究者は、細菌が増殖するときに細胞内で活性化するタンパク質に蛍光タグを追加しました。 蛍光タンパク質は、細菌が活動しているときに光り、活動していないときは暗いままです。 コロニーを観察することで、研究者はコロニーの端にあるバクテリアが明るい緑色であるのに対し、コアは暗いままであることに気付きました.

「コロニーは基本的に、非常に異なる方法で動作するコアとシェルに組織化されています」とダッタは言いました。

Datta 氏によると、その理論は、コロニーの端にいるバクテリアが栄養素と酸素の大部分を吸収し、内部のバクテリアにはほとんど残らないというものです。

ダッタ氏は、「彼らはお腹が空いているので冬眠していると考えています」と述べたが、これを調査するにはさらに研究が必要であると警告した.

データによると、研究者が使用した実験と数学的モデルにより、コロニーの表面に形成される尾根には上限があることがわかった. でこぼこした表面は、環境内の酸素と栄養素のランダムな違いの結果ですが、ランダム性は特定の制限内で均一になる傾向があります.

「粗さには上限があり、ブロッコリーと比較すると小花の大きさです」と彼は言いました. 「私たちはこれを数学で予測することができました.3Dでの大きなコロニーの成長の必然的な特徴のようです.」

バクテリアの成長は、結晶成長やその他のよく研究されている非生物材料の現象と同様のパターンに従う傾向があるため、研究者は標準的な数学的モデルをバクテリアの成長を反映するように適応させることができたとダッタは述べた。 将来の研究は、成長の背後にあるメカニズム、大まかな成長形態のコロニー機能への影響、およびこれらの教訓を他の関心分野に適用することに焦点を当てる可能性が高いと彼は述べた.

「最終的に、この研究は、細菌が自然界でどのように増殖するかを理解し、最終的に制御するためのより多くのツールを私たちに提供します」と彼は言いました.

参考文献：アレハンドロ・マルティネス・カルボ、タプモイ・バタチャルジー、R コナン・パイ、ハウ・ニエ・ルー、アンナ・M・ハンコック、ネッド・S. Wingreen および Sojit S-Data、2022 年 10 月 18 日、こちらから入手可能。 米国科学アカデミーの議事録.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

この研究は、国立科学財団、ニュージャージー健康財団、国立衛生研究所、エリックとウェンディ シュミット変革技術基金、ピュー医学科学者基金、ヒューマン フロンティア サイエンス プログラムから資金提供を受けました。