Ilmuwan Princeton memecahkan misteri bakteri

Para peneliti menemukan bahwa koloni bakteri terbentuk dalam tiga dimensi dengan bentuk kasar seperti kristal.

Koloni bakteri sering tumbuh dalam garis pada cawan Petri di laboratorium, tetapi tidak ada yang mengerti bagaimana koloni menyusun diri dalam lingkungan 3D yang lebih realistis, seperti jaringan dan gel dalam tubuh manusia atau tanah dan sedimen di lingkungan, sampai sekarang. Pengetahuan ini mungkin penting untuk kemajuan penelitian lingkungan dan medis.

sebuah Universitas Princeton Tim tersebut kini telah mengembangkan cara untuk memantau bakteri dalam lingkungan 3D. Mereka menemukan bahwa ketika bakteri tumbuh, koloni mereka terus membentuk bentuk bergerigi yang luar biasa menyerupai kepala brokoli yang bercabang, jauh lebih kompleks daripada yang kita lihat di cawan petri.

“Sejak bakteri ditemukan lebih dari 300 tahun yang lalu, sebagian besar penelitian laboratorium telah mempelajarinya dalam tabung reaksi atau cawan petri,” kata Sujit Datta, asisten profesor teknik kimia dan biologi di Universitas Princeton dan penulis utama studi tersebut. Ini adalah hasil dari keterbatasan praktis daripada kurangnya rasa ingin tahu. “Jika Anda mencoba melihat bakteri tumbuh di jaringan atau di tanah, hasilnya buram, dan Anda tidak bisa benar-benar melihat apa yang dilakukan koloni. Itulah tantangan sebenarnya.”

Para peneliti tersebut adalah Sujit Datta, asisten profesor teknik kimia dan biologi, Alejandro Martínez Calvo, peneliti postdoctoral, dan Ana Hancock, mahasiswa pascasarjana di bidang teknik kimia dan biologi. Kredit: David Kelly Crowe dari Universitas Princeton

Kelompok riset Data menemukan perilaku ini menggunakan pengaturan eksperimental perintis yang memungkinkan mereka melakukan pengamatan koloni bakteri yang belum pernah terdengar sebelumnya dalam keadaan tiga dimensi alami mereka. Tanpa diduga, para ilmuwan telah menemukan bahwa pertumbuhan koloni liar secara konsisten menyerupai fenomena alam lainnya seperti pertumbuhan kristal atau embun beku yang menyebar di kaca jendela.

“Jenis bentuk bergerigi dan bercabang ini ada di mana-mana, tetapi biasanya dalam konteks pertumbuhan atau penggumpalan sistem benda mati,” kata Datta. “Apa yang kami temukan adalah pertumbuhan koloni bakteri 3D menunjukkan proses yang sangat mirip meskipun faktanya ini adalah kelompok organisme.”

Penjelasan baru tentang bagaimana koloni bakteri berkembang dalam tiga dimensi baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Prosiding National Academy of Sciences. Datta dan rekan-rekannya berharap penemuan mereka akan membantu berbagai penelitian pertumbuhan bakteri, mulai dari menciptakan antimikroba yang lebih efektif hingga penelitian farmasi, medis dan lingkungan, serta prosedur yang memanfaatkan bakteri untuk keperluan industri.

Peneliti Princeton di lab. Kredit: David Kelly Crowe dari Universitas Princeton

“Pada tingkat fundamental, kami sangat senang bahwa karya ini mengungkapkan hubungan mengejutkan antara evolusi bentuk dan fungsi dalam sistem biologis dan studi proses pertumbuhan non-hidup dalam ilmu material dan fisika statistik. Namun kami juga percaya bahwa wawasan baru ini menjadi kapan dan di mana sel tumbuh dalam 3D akan menarik bagi siapa pun yang tertarik pada pertumbuhan bakteri, seperti aplikasi lingkungan, industri, dan biomedis,” kata Datta.

Selama beberapa tahun, tim peneliti Datta telah mengembangkan sistem yang memungkinkan mereka menganalisis fenomena yang biasanya tertutup dalam kondisi buram, seperti aliran cairan melalui tanah. Tim menggunakan hidrogel yang dirancang khusus, yaitu polimer penyerap air yang serupa dengan yang ditemukan pada lensa kontak dan jeli, sebagai matriks untuk mendukung pertumbuhan bakteri dalam 3D. Tidak seperti versi hidrogel yang umum, bahan Data terdiri dari bola hidrogel yang sangat kecil yang mudah berubah bentuk oleh bakteri, memungkinkan lewatnya oksigen dan nutrisi secara bebas yang mendukung pertumbuhan bakteri dan transparan terhadap cahaya.

“Ini seperti lubang bola di mana setiap bola adalah hidrogel individu. Ini mikroskopis, jadi Anda tidak dapat benar-benar melihatnya,” kata Datta. Tim peneliti mengkalibrasi komposisi hidrogel untuk meniru struktur tanah atau jaringan. Hidrogel cukup kuat untuk mendukung pertumbuhan koloni bakteri tanpa menimbulkan resistensi, cukup untuk membatasi pertumbuhan.

“Ketika koloni bakteri tumbuh dalam matriks hidrogel, mereka dapat dengan mudah mengatur ulang globul di sekitar mereka sehingga tidak terperangkap,” katanya. “Ini seperti menenggelamkan lengan Anda ke dalam lubang bola. Jika Anda menariknya, bola akan mengatur ulang dirinya sendiri di sekitar lengan Anda.”

Para peneliti bereksperimen dengan empat jenis bakteri (termasuk yang membantu menciptakan rasa pedas kombucha) untuk melihat bagaimana mereka tumbuh dalam tiga dimensi.

“Kami mengubah jenis sel, kondisi nutrisi, dan sifat hidrogel,” kata Datta. Para peneliti melihat pola pertumbuhan kasar yang sama di setiap kasus. “Kami telah mengubah semua parameter ini secara sistematis, tetapi ini tampaknya merupakan fenomena umum.”

Data menyebutkan dua faktor tampaknya menyebabkan pertumbuhan berbentuk kembang kol di permukaan koloni. Pertama, bakteri dengan tingkat nutrisi atau oksigen yang lebih tinggi akan tumbuh dan berkembang biak lebih cepat dibandingkan dengan lingkungan yang kurang melimpah. Bahkan lingkungan yang paling konsisten pun memiliki kepadatan nutrisi yang tidak merata, dan perbedaan ini menyebabkan bintik-bintik di permukaan koloni bergerak maju atau mundur. Ini berulang dalam tiga dimensi, menyebabkan koloni bakteri membentuk benjolan dan nodul karena beberapa subset bakteri tumbuh lebih cepat daripada tetangganya.

Kedua, para peneliti mencatat bahwa dalam pertumbuhan 3D, hanya bakteri di dekat permukaan koloni yang tumbuh dan membelah. Bakteri yang terjepit di tengah koloni tampaknya turun ke kondisi hibernasi. Karena bakteri di dalam tidak tumbuh dan membelah, bagian luar tidak mengalami tekanan yang menyebabkannya mengembang secara merata. Sebaliknya, perluasannya terutama didorong oleh pertumbuhan di sepanjang tepi koloni. Pertumbuhan di sepanjang tepi tunduk pada perubahan nutrisi yang akhirnya menyebabkan pertumbuhan terhambat dan tidak menentu.

“Jika pertumbuhannya seragam, dan tidak ada perbedaan antara bakteri di dalam koloni dan bakteri di pinggiran, itu akan seperti mengisi balon,” kata Alejandro Martínez Calvo, seorang peneliti pascadoktoral di Universitas Princeton dan penulis pertama makalah tersebut. . “Tekanan dari dalam akan mengisi kekacauan di ekstremitas.”

Untuk menjelaskan mengapa stres ini tidak ada, para peneliti menambahkan penanda berpendar pada protein yang menjadi aktif di dalam sel ketika bakteri tumbuh. Protein fluoresen bersinar saat bakteri aktif dan tetap gelap saat tidak aktif. Dengan mengamati koloni, para peneliti melihat bahwa bakteri di tepi koloni berwarna hijau cerah, sedangkan intinya tetap gelap.

“Koloni pada dasarnya mengatur dirinya menjadi inti dan cangkang yang berperilaku sangat berbeda,” kata Datta.

Teorinya, kata Datta, adalah bahwa bakteri di tepi koloni mengambil sebagian besar nutrisi dan oksigen, menyisakan sedikit untuk bakteri bagian dalam.

“Kami pikir mereka berhibernasi karena lapar,” kata Datta, meskipun dia mengingatkan bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengeksplorasi hal ini.

Data mengatakan bahwa percobaan dan model matematika yang digunakan oleh para peneliti menemukan bahwa ada batas atas pegunungan yang terbentuk di permukaan koloni. Permukaan bergelombang adalah hasil dari perbedaan acak oksigen dan nutrisi di lingkungan, tetapi keacakan cenderung bahkan dalam batas-batas tertentu.

“Kekasarannya memiliki batas atas seberapa besar – seukuran floret jika kita bandingkan dengan brokoli,” katanya. “Kami dapat memprediksi ini dengan matematika, dan tampaknya menjadi fitur yang tak terelakkan dari pertumbuhan koloni besar dalam 3D.”

Karena pertumbuhan bakteri cenderung mengikuti pola yang mirip dengan pertumbuhan kristal dan fenomena benda mati lainnya yang dipelajari dengan baik, Datta mengatakan para peneliti mampu mengadaptasi model matematika standar untuk mencerminkan pertumbuhan bakteri. Dia mengatakan penelitian di masa depan kemungkinan akan fokus pada pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme di balik pertumbuhan, implikasi untuk bentuk pertumbuhan kasar dari fungsi koloni, dan menerapkan pelajaran ini ke bidang lain yang menjadi perhatian.

“Pada akhirnya, pekerjaan ini memberi kita lebih banyak alat untuk memahami, dan pada akhirnya mengendalikan, bagaimana bakteri tumbuh di alam,” katanya.

Referensi: “Ketidakstabilan morfologis dan kekasaran pertumbuhan koloni bakteri tiga dimensi” oleh Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen dan Sojit S-Data, 18 Oktober 2022, Tersedia di sini. Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119

Studi ini didanai oleh National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, Pew Medical Scientist Fund, dan Human Frontier Science Program.