Des scientifiques de Princeton résolvent un mystère bactérien

Les chercheurs ont découvert que les colonies de bactéries se forment en trois dimensions avec des formes rugueuses et cristallines.

Les colonies bactériennes poussent souvent en lignes sur des boîtes de Pétri dans les laboratoires, mais personne ne comprenait jusqu’à présent comment les colonies s’organisent dans des environnements 3D plus réalistes, tels que les tissus et les gels dans le corps humain ou le sol et les sédiments dans l’environnement. Ces connaissances peuvent être importantes pour l’avancement de la recherche environnementale et médicale.

une université de Princeton L’équipe a maintenant développé un moyen de surveiller les bactéries dans des environnements 3D. Ils ont découvert qu’à mesure que les bactéries se développent, leurs colonies forment continuellement des formes merveilleusement déchiquetées ressemblant à une tête de brocoli ramifiée, bien plus complexe que ce que nous voyons dans une boîte de Pétri.

« Depuis que les bactéries ont été découvertes il y a plus de 300 ans, la plupart des recherches en laboratoire les ont étudiées dans des tubes à essai ou sur des boîtes de Pétri », a déclaré Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique à l’Université de Princeton et auteur principal de l’étude. C’était le résultat de limitations pratiques plutôt que d’un manque de curiosité. « Si vous essayez de regarder les bactéries se développer dans les tissus ou dans le sol, elles sont opaques et vous ne pouvez pas réellement voir ce que fait la colonie. C’était le vrai défi. »

Les chercheurs sont Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique, Alejandro Martínez Calvo, chercheur postdoctoral, et Ana Hancock, étudiante diplômée en génie chimique et biologique. Crédit : David Kelly Crowe de l’Université de Princeton

Le groupe de recherche de Data a découvert ce comportement en utilisant une configuration expérimentale pionnière qui leur permet de faire des observations inédites de colonies bactériennes dans leur état tridimensionnel naturel. De manière inattendue, les scientifiques ont découvert que la croissance des colonies sauvages ressemble systématiquement à d’autres phénomènes naturels tels que la croissance des cristaux ou la propagation du givre sur les vitres.

« Ces types de formes déchiquetées et ramifiées sont omniprésents dans la nature, mais généralement dans le contexte de systèmes inanimés en croissance ou en agrégation », a déclaré Datta. « Ce que nous avons découvert, c’est que la croissance des colonies bactériennes 3D présente un processus très similaire malgré le fait qu’il s’agit de groupes d’organismes. »

Cette nouvelle explication de l’évolution des colonies de bactéries en trois dimensions a été récemment publiée dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences. Datta et ses collègues espèrent que leurs découvertes aideront un large éventail de recherches sur la croissance bactérienne, de la création d’antimicrobiens plus efficaces à la recherche pharmaceutique, médicale et environnementale, ainsi que des procédures qui exploitent les bactéries à des fins industrielles.

Chercheurs de Princeton dans le laboratoire. Crédit : David Kelly Crowe de l’Université de Princeton

« À un niveau fondamental, nous sommes ravis que ce travail révèle des liens surprenants entre l’évolution de la forme et de la fonction dans les systèmes biologiques et les études des processus de croissance non vivants en science des matériaux et en physique statistique. Mais nous pensons également que cette nouvelle compréhension de quand et où les cellules se développent en 3D intéressera toute personne intéressée par la croissance bactérienne, comme dans les applications environnementales, industrielles et biomédicales », a déclaré Datta.

Depuis plusieurs années, l’équipe de recherche de Datta développe un système qui leur permet d’analyser des phénomènes qui seraient normalement cachés dans des conditions opaques, comme l’écoulement de fluides à travers le sol. L’équipe utilise des hydrogels spécialement conçus, qui sont des polymères absorbant l’eau similaires à ceux trouvés dans les lentilles de contact et les gelées, comme matrices pour soutenir la croissance des bactéries en 3D. Contrairement à ces versions courantes d’hydrogels, les matériaux Data sont constitués de très petites sphères d’hydrogel qui sont facilement déformées par les bactéries, permettent le libre passage de l’oxygène et des nutriments qui favorisent la croissance bactérienne et sont transparents à la lumière.

« C’est comme une fosse à balles où chaque balle est un hydrogel individuel. C’est microscopique, donc vous ne pouvez pas vraiment le voir », a déclaré Datta. L’équipe de recherche a calibré la composition de l’hydrogel pour imiter la structure du sol ou des tissus. L’hydrogel est assez fort pour soutenir la croissance des colonies bactériennes sans introduire de résistance, suffisant pour limiter la croissance.

« Au fur et à mesure que les colonies bactériennes se développent dans la matrice d’hydrogel, elles peuvent facilement réorganiser les globules autour d’elles afin qu’elles ne soient pas piégées », a-t-il déclaré. « C’est comme plonger votre bras dans une fosse à balles. Si vous le tirez à travers, les balles se réarrangent autour de votre bras. »

Les chercheurs ont expérimenté quatre types de bactéries différentes (dont une qui aide à créer le goût piquant du kombucha) pour voir comment elles se développaient en trois dimensions.

« Nous avons modifié les types de cellules, les conditions nutritionnelles et les propriétés de l’hydrogel », a déclaré Datta. Les chercheurs ont observé les mêmes schémas de croissance grossiers dans tous les cas. « Nous avons systématiquement changé tous ces paramètres, mais cela semble être un phénomène général. »

Les données indiquent que deux facteurs semblent être à l’origine de croissances en forme de chou-fleur à la surface de la colonie. Premièrement, les bactéries avec des niveaux plus élevés de nutriments ou d’oxygène se développeront et se multiplieront plus rapidement que celles d’un environnement moins abondant. Même les environnements les plus cohérents ont des densités de nutriments inégales, et ces différences font avancer ou retarder des taches à la surface de la colonie. Cela se répète en trois dimensions, provoquant la formation de bosses et de nodules dans la colonie de bactéries, car certains sous-ensembles de bactéries se développent plus rapidement que leurs voisins.

Deuxièmement, les chercheurs notent qu’en croissance 3D, seules les bactéries proches de la surface de la colonie se développent et se divisent. Les bactéries écrasées au centre de la colonie semblent descendre dans un état d’hibernation. Parce que les bactéries à l’intérieur ne se développaient pas et ne se divisaient pas, l’extérieur n’a pas subi de pression qui l’amènerait à se développer uniformément. Au lieu de cela, son expansion est principalement tirée par la croissance le long du bord de la colonie. La croissance le long du bord est sujette à des changements de nutriments qui conduisent finalement à une croissance rabougrie et erratique.

« Si la croissance était uniforme et qu’il n’y avait pas de différence entre les bactéries à l’intérieur de la colonie et celles à la périphérie, ce serait comme remplir un ballon », a déclaré Alejandro Martínez Calvo, chercheur postdoctoral à l’Université de Princeton et premier auteur de l’article. . « La pression de l’intérieur comblera toute agitation sur les extrémités. »

Pour expliquer pourquoi ce stress n’était pas présent, les chercheurs ont ajouté une étiquette fluorescente aux protéines qui deviennent actives dans les cellules lorsque les bactéries se développent. La protéine fluorescente brille lorsque les bactéries sont actives et reste sombre lorsqu’elles ne le sont pas. En observant les colonies, les chercheurs ont constaté que les bactéries au bord de la colonie étaient vert clair, tandis que le noyau restait sombre.

« La colonie s’organise essentiellement en un noyau et une coquille qui se comportent de manière très différente », a déclaré Datta.

La théorie, a déclaré Datta, est que les bactéries sur les bords de la colonie ramassent la plupart des nutriments et de l’oxygène, laissant peu pour les bactéries internes.

« Nous pensons qu’ils hibernent parce qu’ils ont faim », a déclaré Datta, bien qu’il ait averti que davantage de recherches étaient nécessaires pour explorer cela.

Les données indiquent que les expériences et les modèles mathématiques utilisés par les chercheurs ont révélé qu’il y avait une limite supérieure aux crêtes qui se sont formées sur les surfaces de la colonie. La surface bosselée est le résultat de différences aléatoires d’oxygène et de nutriments dans l’environnement, mais le caractère aléatoire a tendance à être égal dans certaines limites.

« La rugosité a une limite supérieure à sa taille – la taille d’un fleuron si nous le comparons à un brocoli », a-t-il déclaré. « Nous avons pu prédire cela avec les mathématiques, et cela semble être une caractéristique inévitable de la croissance de grandes colonies en 3D. »

Parce que la croissance bactérienne a tendance à suivre un schéma similaire à la croissance cristalline et à d’autres phénomènes bien étudiés de matériaux non vivants, Datta a déclaré que les chercheurs ont pu adapter des modèles mathématiques standard pour refléter la croissance bactérienne. Il a déclaré que les recherches futures se concentreront probablement sur une meilleure compréhension des mécanismes de croissance, les implications pour les formes de croissance grossières du fonctionnement des colonies et l’application de ces leçons à d’autres domaines de préoccupation.

« En fin de compte, ce travail nous donne plus d’outils pour comprendre, et finalement contrôler, comment les bactéries se développent dans la nature », a-t-il déclaré.

Référence : « Instabilité morphologique et grossièreté de la croissance des colonies bactériennes tridimensionnelles » par Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen et Sojit S-Data, 18 octobre 2022, disponible ici. Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2208019119

L’étude a été financée par la National Science Foundation, la New Jersey Health Foundation, les National Institutes of Health, le Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, le Pew Medical Scientists Fund et le Human Frontier Science Program.