프린스턴 과학자들이 박테리아 미스터리를 풀다

연구원들은 박테리아 군집의 덩어리진 성장을 3차원으로 관찰할 수 있었습니다. 출처: Neil Adelantar/Princeton University

연구진은 박테리아의 콜로니가 거칠고 결정체와 같은 형태로 3차원적으로 형성된다는 사실을 발견했다.

박테리아 콜로니는 종종 실험실의 페트리 접시에서 줄지어 자라지만, 지금까지 인체의 조직과 젤 또는 환경의 토양과 퇴적물과 같은 보다 현실적인 3D 환경에서 콜로니가 어떻게 배열되는지 이해하지 못했습니다. 이 지식은 환경 및 의학 연구의 발전에 중요할 수 있습니다.

ㅏ 프린스턴 대학교 팀은 이제 3D 환경에서 박테리아를 모니터링하는 방법을 개발했습니다. 그들은 박테리아가 자라면서 그들의 군집이 우리가 페트리 접시에서 보는 것보다 훨씬 더 복잡한 브로콜리의 가지를 뻗은 머리와 닮은 놀랍도록 들쭉날쭉한 모양을 지속적으로 형성한다는 것을 발견했습니다.

“박테리아는 300년 이상 전에 발견되었기 때문에 대부분의 실험실 연구는 시험관이나 페트리 접시에서 박테리아를 연구했습니다. 이는 호기심의 부족이라기보다는 현실적 한계의 결과였다. “박테리아가 조직이나 토양에서 자라는 것을 관찰하려고 하면 이들은 불투명하고 식민지가 무엇을 하는지 실제로 볼 수 없습니다. 그것이 진정한 도전이었습니다.”

연구원은 화학 및 생물 공학 조교수 Sujit Datta, 박사후 연구원 Alejandro Martínez Calvo 및 화학 및 생물 공학 대학원생 Ana Hancock입니다. 출처: Princeton University의 David Kelly Crowe

Data의 연구 그룹은 이전에 들어본 적이 없는 자연스러운 3차원 상태의 박테리아 군집을 관찰할 수 있는 선구적인 실험 설정을 사용하여 이러한 행동을 발견했습니다. 예기치 않게 과학자들은 야생 식민지의 성장이 결정 성장이나 유리창에 퍼지는 서리와 같은 다른 자연 현상과 일관되게 유사하다는 것을 발견했습니다.

“이러한 유형의 들쭉날쭉하고 가지 모양은 본질적으로 어디에나 있지만 일반적으로 무생물 시스템이 성장하거나 뭉치는 맥락에서 발생합니다.”라고 Datta는 말했습니다. “우리가 발견한 것은 3D 박테리아 콜로니의 성장이 이들이 유기체 그룹이라는 사실에도 불구하고 매우 유사한 과정을 보인다는 것입니다.”

박테리아 군체가 어떻게 3차원적으로 진화하는지에 대한 이 새로운 설명은 최근 저널에 발표되었습니다. 국립 과학 아카데미 회보. Datta와 그의 동료들은 그들의 발견이 보다 효과적인 항균제 생성에서 제약, 의료 및 환경 연구뿐만 아니라 산업적 용도로 박테리아를 활용하는 절차에 이르기까지 광범위한 박테리아 성장 연구에 도움이 되기를 희망합니다.

연구실의 프린스턴 연구원. 출처: Princeton University의 David Kelly Crowe

“근본적인 수준에서 우리는 이 연구가 생물학적 시스템의 형태와 기능의 진화와 재료 과학 및 통계 물리학의 무생물 성장 과정 연구 사이의 놀라운 연관성을 밝히고 있다는 사실에 흥분됩니다. 그러나 우리는 또한 이 새로운 통찰력이 세포가 3D로 성장하는 시기와 장소는 환경, 산업 및 생의학 응용과 같은 박테리아 성장에 관심이 있는 모든 사람에게 관심이 될 것입니다.”라고 Datta는 말했습니다.

수년 동안 Datta의 연구팀은 토양을 통과하는 유체의 흐름과 같이 일반적으로 불투명한 조건에서 숨겨진 현상을 분석할 수 있는 시스템을 개발해 왔습니다. 연구팀은 3D에서 박테리아의 성장을 지원하기 위한 매트릭스로 콘택트 렌즈 및 젤리에서 발견되는 것과 유사한 수분 흡수성 폴리머인 특수 설계된 하이드로겔을 사용합니다. 일반적인 버전의 하이드로겔과 달리 Data 자료는 박테리아에 의해 쉽게 변형되는 매우 작은 하이드로겔 구체로 구성되어 있으며 박테리아 성장을 지원하고 빛에 투명한 산소와 영양분을 자유롭게 통과할 수 있습니다.

“각각의 공이 개별 하이드로겔인 공 구덩이와 같습니다. 현미경이기 때문에 실제로 볼 수 없습니다.”라고 Datta는 말했습니다. 연구팀은 하이드로겔의 구성을 보정하여 토양이나 조직의 구조를 모방했습니다. 하이드로겔은 저항을 도입하지 않고 박테리아 콜로니 성장을 지원할 만큼 충분히 강합니다. 성장을 제한하기에 충분합니다.

“박테리아 콜로니가 하이드로겔 매트릭스에서 성장함에 따라 그들은 갇히지 않도록 주위의 소구체를 쉽게 재배열할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “팔을 볼 구덩이에 넣는 것과 같습니다. 끌어당기면 볼이 팔 주위로 재배열됩니다.”

연구자들은 네 가지 유형의 박테리아(콤부차의 매운 맛을 만드는 데 도움이 되는 박테리아 포함)를 실험하여 박테리아가 어떻게 3차원으로 성장하는지 확인했습니다.

“우리는 세포 유형, 영양 조건 및 하이드로겔의 특성을 변경했습니다.”라고 Datta는 말했습니다. 연구원들은 모든 경우에 동일한 거친 성장 패턴을 보았습니다. “우리는 이러한 매개 변수를 모두 체계적으로 변경했지만 이는 일반적인 현상인 것 같습니다.”

데이터에 따르면 두 가지 요인이 식민지 표면에 콜리플라워 모양의 성장을 일으키는 것으로 보입니다. 첫째, 더 높은 수준의 영양분이나 산소를 가진 박테리아는 덜 풍부한 환경에 있는 박테리아보다 더 빠르게 성장하고 증식할 것입니다. 가장 일관된 환경에서도 약간의 영양 밀도가 고르지 않으며 이러한 차이로 인해 식민지 표면의 반점이 앞으로 이동하거나 뒤쳐집니다. 이것은 3차원에서 반복되어 박테리아의 일부 하위 집합이 이웃보다 더 빠르게 성장함에 따라 박테리아 군락이 돌기와 결절을 형성하게 합니다.

둘째, 연구원들은 3D 성장에서 식민지 표면 근처의 박테리아만 성장하고 분열한다는 점에 주목합니다. 콜로니 중앙에 박힌 박테리아는 동면 상태로 하강하는 것 같습니다. 내부의 박테리아가 성장하고 분열하지 않았기 때문에 외부는 균일하게 팽창할 수 있는 압력을 받지 않았습니다. 대신, 그 확장은 주로 식민지 가장자리를 따라 성장하는 것에 의해 주도됩니다. 가장자리를 따라 자라는 성장은 영양분 변화의 영향을 받아 결국 성장이 느려지고 불규칙하게 됩니다.

논문 제1저자인 알레한드로 마르티네즈 칼보(Alejandro Martínez Calvo) 프린스턴 대학 박사후 연구원은 “만약 성장이 균일하고 콜로니 내부의 박테리아와 주변에 있는 박테리아 사이에 차이가 없다면 마치 풍선을 채우는 것과 같을 것”이라고 말했다. . “내부의 압력이 사지의 혼란을 채울 것입니다.”

이 스트레스가 존재하지 않는 이유를 설명하기 위해 연구원들은 박테리아가 성장할 때 세포에서 활성화되는 단백질에 형광 태그를 추가했습니다. 형광 단백질은 박테리아가 활동할 때 빛을 발하고 활동하지 않을 때는 어두운 상태를 유지합니다. 콜로니를 관찰함으로써 연구자들은 콜로니의 가장자리에 있는 박테리아가 밝은 녹색인 반면 코어는 어두운 채로 남아 있음을 확인했습니다.

“콜로니는 기본적으로 매우 다른 방식으로 작동하는 코어와 쉘로 자체를 구성합니다.”라고 Datta는 말했습니다.

Datta는 이론에 따르면 식민지의 가장자리에 있는 박테리아가 대부분의 영양분과 산소를 ​​흡수하고 내부 박테리아에는 거의 남지 않는다는 것입니다.

“우리는 그들이 배고프기 때문에 동면한다고 생각합니다.”라고 Datta는 말했지만 이것을 탐구하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 경고했습니다.

데이터에 따르면 연구원들이 사용한 실험과 수학적 모델은 식민지 표면에 형성된 능선에 상한선이 있음을 발견했습니다. 울퉁불퉁한 표면은 환경에서 산소와 영양분의 임의적 차이의 결과이지만 임의성은 특정 한계 내에서 균일한 경향이 있습니다.

“거칠기는 그것이 얼마나 클 수 있는지에 대한 상한선이 있습니다. 우리가 그것을 브로콜리와 비교한다면 작은 꽃의 크기입니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 이것을 수학으로 예측할 수 있었고, 3D로 볼 때 대규모 식민지 성장의 불가피한 특징인 것 같습니다.”

박테리아의 성장은 결정 성장 및 잘 연구된 무생물 물질의 다른 현상과 유사한 패턴을 따르는 경향이 있기 때문에 연구원들은 박테리아 성장을 반영하기 위해 표준 수학적 모델을 적용할 수 있었다고 Datta는 말했습니다. 그는 향후 연구가 성장 이면의 메커니즘, 대략적인 성장 형태의 식민지 기능에 대한 의미를 더 잘 이해하고 이러한 교훈을 다른 관심 분야에 적용하는 데 초점을 맞출 것이라고 말했습니다.

“궁극적으로 이 작업은 박테리아가 자연에서 어떻게 성장하는지 이해하고 제어할 수 있는 더 많은 도구를 우리에게 제공합니다.”라고 그는 말했습니다.

참조: Alejandro Martínez Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen 및 Sojit S-Data, 2022년 10월 18일, 여기에서 확인 가능. 국립 과학 아카데미 회보.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

이 연구는 National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, Pew Medical Scientists Fund, Human Frontier Science Program의 자금 지원을 받았습니다.