Científicos de Princeton resuelven un misterio bacteriano

Los investigadores encontraron que las colonias de bacterias se forman en tres dimensiones con formas ásperas parecidas a cristales.

Las colonias bacterianas a menudo crecen en filas en las placas de Petri en los laboratorios, pero nadie entendió cómo se organizan las colonias en entornos 3D más realistas, como tejidos y geles en cuerpos humanos o suelo y sedimentos en el medio ambiente, hasta ahora. Este conocimiento puede ser importante para el avance de la investigación médica y ambiental.

a Universidad de Princeton El equipo ahora ha desarrollado una forma de monitorear bacterias en entornos 3D. Descubrieron que a medida que las bacterias crecen, sus colonias forman continuamente formas maravillosamente irregulares que se asemejan a una cabeza ramificada de brócoli, mucho más complejas que las que vemos en una placa de Petri.

“Desde que se descubrieron 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 la Universidad de Princeton y autor principal del estudio. Este fue el resultado de limitaciones prácticas más que de una falta de curiosidad. “Si tratas de ver cómo crecen las bacterias en los tejidos o en el suelo, estas son opacas y en realidad no puedes ver lo que está haciendo la colonia. Ese fue el verdadero desafío”.

Los investigadores son Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica, Alejandro Martínez Calvo, investigador postdoctoral, y Ana Hancock, estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica. Crédito: David Kelly Crowe de la Universidad de Princeton

El grupo de investigación de Data descubrió este comportamiento utilizando una configuración experimental pionera que les permite realizar observaciones nunca antes vistas de colonias bacterianas en su estado tridimensional natural. Inesperadamente, los científicos han descubierto que el crecimiento de las colonias silvestres se parece constantemente a otros fenómenos naturales, como el crecimiento de cristales o la escarcha que se extiende sobre los cristales de las ventanas.

“Estos tipos de formas irregulares y ramificadas son omnipresentes en la naturaleza, pero generalmente en el contexto de sistemas inanimados en crecimiento o agrupados”, dijo Datta. “Lo que encontramos es que el crecimiento en colonias bacterianas 3D exhibe un proceso muy similar a pesar de que estos son grupos de organismos”.

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

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

“En un nivel fundamental, estamos entusiasmados de que este trabajo esté revelando 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 en aplicaciones ambientales, industriales y biomédicas”, dijo Datta.

Durante varios años, el equipo de investigación de Datta ha estado desarrollando un sistema que les permite analizar fenómenos que normalmente estarían ocultos en condiciones opacas, como el flujo de fluidos a través del suelo. El equipo utiliza hidrogeles especialmente diseñados, que son polímeros absorbentes de agua similares a los que se encuentran en lentes de contacto y jaleas, como matrices para apoyar el crecimiento de bacterias en 3D. A diferencia de las versiones comunes de hidrogeles, los materiales de Data consisten en esferas muy pequeñas de hidrogel que las bacterias deforman fácilmente, permiten el paso libre de oxígeno y nutrientes que favorecen el crecimiento bacteriano y son transparentes a la luz.

“Es como una piscina de bolas donde cada bola es un hidrogel individual. Es microscópico, por lo que realmente no se puede ver”, dijo Datta. El equipo de investigación calibró la composición del hidrogel para imitar la estructura del suelo o tejido. El hidrogel es lo suficientemente fuerte para soportar el crecimiento de colonias bacterianas sin introducir resistencia lo suficiente para restringir el crecimiento.

“A medida que las colonias bacterianas crecen en la matriz de hidrogel, pueden reorganizar fácilmente los glóbulos a su alrededor para que no queden atrapados”, dijo. “Es como hundir el brazo en una piscina de bolas. Si lo atraviesas, las bolas se reacomodan alrededor de tu brazo”.

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

“Cambiamos los tipos de células, las condiciones de los nutrientes y las propiedades del hidrogel”, dijo Datta. Los investigadores observaron los mismos patrones de crecimiento grueso en todos los casos. “Hemos cambiado sistemáticamente todos estos parámetros, pero esto parece ser un fenómeno general”.

Los datos dijeron que dos factores parecen estar causando crecimientos en forma de coliflor en la superficie de la colonia. Primero, las bacterias con niveles más altos de nutrientes u oxígeno crecerán y se multiplicarán más rápido que aquellas en un ambiente menos abundante. Incluso los ambientes más consistentes tienen algunas densidades de nutrientes desiguales, y estas diferencias hacen que las manchas en la superficie de la colonia avancen o se retrasen. Esto se repite en tres dimensiones, lo que hace que la colonia de bacterias forme protuberancias y nódulos a medida que algunos subconjuntos de bacterias crecen más rápidamente que sus vecinos.

En segundo lugar, los investigadores notaron que en el crecimiento 3D, solo las bacterias cerca de la superficie de la colonia crecen y se dividen. Las bacterias aplastadas en el centro de la colonia parecen descender a un estado de hibernación. Debido a que las bacterias en el interior no crecían ni se dividían, el exterior no experimentó la presión que haría que se expandiera de manera uniforme. En cambio, su expansión está impulsada principalmente por el crecimiento a lo largo del borde de la colonia. El crecimiento a lo largo del borde está sujeto a cambios de nutrientes que eventualmente conducen a un crecimiento atrofiado y errático.

“Si el crecimiento fuera uniforme, y no hubiera diferencia entre las bacterias dentro de la colonia y las de la periferia, sería como llenar un globo”, dijo Alejandro Martínez Calvo, investigador postdoctoral de la Universidad de Princeton y primer autor del artículo. . “La presión desde adentro llenará cualquier agitación en las extremidades”.

Para explicar por qué este estrés no estaba presente, los investigadores agregaron una etiqueta fluorescente a las proteínas que se activan en las células cuando las bacterias crecen. La proteína fluorescente brilla 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.

“Básicamente, la colonia se organiza en un núcleo y un caparazón que se comportan de formas muy diferentes”, dijo Datta.

La teoría, dijo Datta, es que las bacterias en los bordes de la colonia recogen la mayoría de los nutrientes y el oxígeno, dejando poco para las bacterias internas.

“Creemos que hibernan porque tienen hambre”, dijo Datta, aunque advirtió que se necesita más investigación para explorar esto.

Data dijo que los experimentos y los modelos matemáticos utilizados por los investigadores encontraron que había un límite superior para las crestas que se formaron en las superficies de la colonia. La superficie irregular es el resultado de diferencias aleatorias en el oxígeno y los nutrientes en el medio ambiente, pero la aleatoriedad tiende a estar incluso dentro de ciertos límites.

“La aspereza tiene un límite superior de cuán grande puede ser: el tamaño de un florete si lo comparamos con un brócoli”, dijo. “Pudimos predecir esto con las matemáticas, y parece ser una característica inevitable del crecimiento de grandes colonias en 3D”.

Debido a que el crecimiento bacteriano tiende a seguir un patrón similar al crecimiento de cristales y otros fenómenos bien estudiados de materiales no vivos, Datta dijo que 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 para las formas de crecimiento aproximado del funcionamiento 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 aspereza del crecimiento de colonias bacterianas tridimensionales” por Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen y Sojit S-Data, 18 de octubre de 2022, disponible aquí. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de Salud de Nueva Jersey, los Institutos Nacionales de Salud, el Fondo de Tecnología Transformacional Eric y Wendy Schmidt, el Fondo de Científicos Médicos Pew y el Programa de Ciencia Human Frontier.