Em laboratórios, as colônias bacterianas geralmente crescem em estrias em placas de Petri, mas até agora ninguém sabia como as colônias se organizam em ambientes tridimensionais (3D) mais realistas, como tecidos e géis em nossos corpos, ou solos e sedimentos em o ambiente. Esse conhecimento pode ser fundamental para o avanço da pesquisa médica e ambiental.

Agora, uma equipe de Princeton inventou uma maneira de observar bactérias em ambientes 3D. Eles descobriram que, à medida que as bactérias crescem, suas colônias formam formas ásperas fascinantes que se assemelham a uma cabeça ramificada de brócolis, muito mais intrincadas do que as formas normalmente vistas em um prato plano.

“Desde que as bactérias foram descobertas há mais de 300 anos, a maioria das pesquisas de laboratório as estudou em tubos de ensaio ou em placas de Petri”, disse Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor sênior do estudo. Isso foi resultado de limites práticos e não de falta de curiosidade. "Se você tentar observar as bactérias crescerem em tecidos ou solos, eles são opacos, e você não pode realmente ver o que a colônia está fazendo. Esse tem sido realmente o desafio."

A equipe de pesquisa de Datta descobriu esse comportamento usando uma configuração experimental inovadora que lhes permite fazer observações sem precedentes de colônias bacterianas em seu estado natural e tridimensional. Inesperadamente, a equipe descobriu que o crescimento das colônias selvagens se assemelha consistentemente a outros fenômenos naturais, como o crescimento de cristais ou a propagação da geada em uma vidraça.

“Esses tipos de formas ásperas e ramificadas são onipresentes na natureza, mas normalmente no contexto de sistemas não vivos em crescimento ou aglomeração”, disse Datta. “O que descobrimos é que, crescendo em 3D, as colônias bacterianas exibem um processo muito semelhante, apesar de serem coletivos de organismos vivos”.

Os pesquisadores apresentaram esta nova descrição de como as colônias de bactérias crescem em três dimensões em um artigo publicado em 18 de outubro na revista Proceedings of the National Academy of Sciences . Datta e seus co-pesquisadores esperam que as descobertas ajudem em uma série de pesquisas que lidam com o crescimento bacteriano, desde o desenvolvimento de antimicrobianos mais eficazes até pesquisas farmacêuticas, médicas e ambientais, bem como processos que aproveitam bactérias para uso industrial.

"Em um nível fundamental, estamos animados que este trabalho revele conexões surpreendentes entre o desenvolvimento de forma e função em sistemas biológicos e estudos de processos de crescimento inanimado em ciência de materiais e física estatística. e onde as células estão crescendo em 3D será de interesse para qualquer pessoa interessada no crescimento bacteriano, como em aplicações ambientais, industriais e biomédicas", disse Datta.

Por vários anos, a equipe de pesquisa de Datta vem desenvolvendo um sistema que permite analisar fenômenos que geralmente são camuflados em ambientes opacos, como fluidos fluindo através de solos. A equipe usa hidrogéis especialmente projetados, que são polímeros absorventes de água semelhantes aos da gelatina e das lentes de contato, como matrizes para apoiar o crescimento bacteriano em 3D. Ao contrário das versões comuns de hidrogéis, os materiais de Datta são compostos de bolas extremamente pequenas de hidrogel que são facilmente deformadas pelas bactérias, permitem a passagem livre de oxigênio e nutrientes que sustentam o crescimento bacteriano e são transparentes à luz.

"É como um poço de bolas onde cada bola é um hidrogel individual. Eles são microscópicos, então você realmente não pode vê-los", disse Datta. A equipe de pesquisa calibrou a composição do hidrogel para imitar a estrutura do solo ou tecido. O hidrogel é forte o suficiente para suportar a colônia bacteriana em crescimento sem apresentar resistência suficiente para restringir o crescimento.

“À medida que as colônias bacterianas crescem na matriz de hidrogel, elas podem facilmente reorganizar as bolas ao seu redor para que não fiquem presas”, disse ele. "É como mergulhar o braço na piscina de bolinhas. Se você arrastá-lo, as bolas se reorganizam ao redor do seu braço."

Os pesquisadores realizaram experimentos com quatro espécies diferentes de bactérias (incluindo uma que ajuda a gerar o sabor azedo do kombucha) para ver como elas cresciam em três dimensões.

"Mudamos os tipos de células, as condições dos nutrientes, as propriedades do hidrogel", disse Datta. Os pesquisadores viram os mesmos padrões de crescimento irregulares em cada caso. "Mudamos sistematicamente todos esses parâmetros, mas isso parece ser um fenômeno genérico."

Datta disse que dois fatores pareciam causar o crescimento em forma de brócolis na superfície de uma colônia. Primeiro, as bactérias com acesso a altos níveis de nutrientes ou oxigênio crescerão e se reproduzirão mais rapidamente do que aquelas em um ambiente menos abundante. Mesmo os ambientes mais uniformes têm alguma densidade desigual de nutrientes, e essas variações fazem com que manchas na superfície da colônia surjam à frente ou fiquem para trás. Repetido em três dimensões, isso faz com que a colônia de bactérias forme saliências e nódulos, pois alguns subgrupos de bactérias crescem mais rapidamente do que seus vizinhos.

Em segundo lugar, os pesquisadores observaram que, no crescimento tridimensional, apenas as bactérias próximas à superfície da colônia cresciam e se dividiam. As bactérias amontoadas no centro da colônia pareciam cair em um estado adormecido. Como as bactérias no interior não estavam crescendo e se dividindo, a superfície externa não foi submetida à pressão que faria com que ela se expandisse uniformemente. Em vez disso, sua expansão é impulsionada principalmente pelo crescimento ao longo da borda da colônia. E o crescimento ao longo da borda está sujeito a variações de nutrientes que eventualmente resultam em crescimento irregular e irregular.

“Se o crescimento fosse uniforme e não houvesse diferença entre as bactérias dentro da colônia e as da periferia, seria como encher um balão”, disse Alejandro Martinez-Calvo, pesquisador de pós-doutorado em Princeton e primeiro autor do artigo. A pressão de dentro preencheria quaisquer perturbações na periferia."

Para explicar por que essa pressão não estava presente, os pesquisadores adicionaram uma etiqueta fluorescente a proteínas que se tornam ativas nas células quando as bactérias crescem. A proteína fluorescente acende quando as bactérias estão ativas e permanece escura quando não estão. Observando as colônias, os pesquisadores viram que as bactérias na borda da colônia eram verdes brilhantes, enquanto o núcleo permanecia escuro.

“A colônia essencialmente se auto-organiza em um núcleo e uma casca que se comportam de maneiras muito diferentes”, disse Datta, observando que a teoria é que as bactérias nas bordas da colônia coletam a maior parte dos nutrientes e oxigênio, deixando pouco para o interior. bactérias.

"Achamos que eles estão adormecidos porque estão famintos", disse Datta, embora tenha alertado que são necessárias mais pesquisas para explorar isso.

Datta explicou que os experimentos e modelos matemáticos usados ??pelos pesquisadores descobriram que havia um limite superior para as saliências que se formavam nas superfícies das colônias. A superfície irregular é resultado de variações aleatórias no oxigênio e nutrientes no ambiente, mas a aleatoriedade tende a se igualar em certos limites.

“A rugosidade tem um limite superior de quão grande pode crescer – o tamanho da florzinha, se compararmos com brócolis”, disse ele. “Fomos capazes de prever isso a partir da matemática, e parece ser uma característica inevitável de grandes colônias crescendo em 3D”.

Como o crescimento bacteriano tende a seguir um padrão semelhante ao crescimento de cristais e outros fenômenos bem estudados de materiais inanimados, Datta disse que os pesquisadores foram capazes de adaptar modelos matemáticos padrão para refletir o crescimento bacteriano. Ele disse que pesquisas futuras provavelmente se concentrarão em entender melhor os mecanismos por trás do crescimento, as implicações das formas de crescimento aproximadas para o funcionamento da colônia e aplicar essas lições a outras áreas de interesse.

"Em última análise, este trabalho nos dá mais ferramentas para entender e, eventualmente, controlar como as bactérias crescem na natureza", disse ele.