Des scientifiques de Princeton résolvent un mystère bactérien

Les chercheurs ont découvert que les colonies de bactéries se forment en trois dimensions dans des formes rugueuses semblables à des cristaux.

Les colonies bactériennes poussent souvent en stries sur les boîtes de Pétri dans les laboratoires, mais personne n’a compris comment les colonies s’organisent dans des environnements tridimensionnels (3-D) plus réalistes, tels que les tissus et les gels dans le corps humain ou les sols et les sédiments dans l’environnement. , jusqu’ici. Ces connaissances pourraient être importantes pour faire avancer la recherche environnementale et médicale.

UN université de Princeton L’équipe a maintenant développé une méthode pour observer les bactéries dans des environnements 3D. Ils ont découvert que lorsque les bactéries se développent, leurs colonies forment systématiquement des formes rugueuses fascinantes qui ressemblent à une tête ramifiée de brocoli, bien plus complexe que ce que l’on voit 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 éprouvettes ou sur des boîtes de Pétri”, a déclaré Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique à Princeton et auteur principal de l’étude. C’était le résultat de limites pratiques plutôt que d’un manque de curiosité. « Si vous essayez de regarder les bactéries se développer dans les tissus ou dans les sols, ceux-ci sont opaques et vous ne pouvez pas vraiment voir ce que fait la colonie. Cela a vraiment été le défi.

Chercheurs Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique, Alejandro Martinez-Calvo, chercheur postdoctoral, et Anna Hancock, étudiante diplômée en génie chimique et biologique. Crédit : David Kelly Crow pour l’Université de Princeton

Le groupe de recherche de Datta a découvert ce comportement en utilisant une configuration expérimentale révolutionnaire 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 ressemblait systématiquement à d’autres phénomènes naturels comme la croissance de cristaux ou la propagation du givre sur une vitre.

“Ces types de formes rugueuses et ramifiées sont omniprésents dans la nature, mais généralement dans le contexte de systèmes non vivants en croissance ou en agglomération”, a déclaré Datta. “Ce que nous avons découvert, c’est que la croissance en 3D des colonies bactériennes présente un processus très similaire malgré le fait qu’il s’agit de collectifs d’organismes vivants.”

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

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

« À un niveau fondamental, nous sommes ravis que ce travail révèle des liens surprenants entre le développement de la forme et de la fonction dans les systèmes biologiques et les études des processus de croissance inanimés en science des matériaux et en physique statistique. Mais aussi, nous pensons que cette nouvelle vision du moment et de l’endroit où les cellules se développent en 3D intéressera tous ceux qui s’intéressent à 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 généralement cachés dans des environnements opaques, tels que les fluides s’écoulant à travers les sols. L’équipe utilise des hydrogels spécialement conçus, qui sont des polymères absorbant l’eau similaires à ceux de la gelée et des lentilles de contact, comme matrices pour soutenir la croissance bactérienne en 3D. Contrairement à ces versions courantes d’hydrogels, les matériaux de Datta sont constitués de boules d’hydrogel extrêmement minuscules 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. Ils sont microscopiques, donc vous ne pouvez pas vraiment les 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 suffisamment solide pour supporter la croissance de la colonie bactérienne sans présenter suffisamment de résistance 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 boules autour d’elles afin qu’elles ne soient pas piégées”, a-t-il déclaré. « C’est comme plonger le bras dans la piscine à balles. Si vous le faites glisser, les boules se réarrangent autour de votre bras.

Les chercheurs ont réalisé des expériences avec quatre espèces différentes de bactéries (dont une qui aide à générer le goût acidulé du kombucha) pour voir comment elles se sont développées en trois dimensions.

“Nous avons changé les types de cellules, les conditions nutritionnelles, les propriétés de l’hydrogel”, a déclaré Datta. Les chercheurs ont observé les mêmes schémas de croissance rugueux dans chaque cas. “Nous avons systématiquement changé tous ces paramètres, mais cela semble être un phénomène générique.”

Datta a déclaré que deux facteurs semblaient être à l’origine de la croissance en forme de brocoli à la surface d’une colonie. Premièrement, les bactéries ayant accès à des niveaux élevés de nutriments ou d’oxygène se développeront et se reproduiront plus rapidement que celles d’un environnement moins abondant. Même les environnements les plus uniformes ont une densité inégale de nutriments, et ces variations font que des taches à la surface de la colonie avancent ou reculent. Répété en trois dimensions, cela provoque la formation de bosses et de nodules dans la colonie de bactéries, car certains sous-groupes de bactéries se développent plus rapidement que leurs voisins.

Deuxièmement, les chercheurs ont observé qu’en croissance tridimensionnelle, seules les bactéries proches de la surface de la colonie se développaient et se divisaient. Les bactéries entassées au centre de la colonie semblaient tomber dans un état dormant. Parce que les bactéries à l’intérieur ne se développaient pas et ne se divisaient pas, la surface extérieure n’était pas soumise à une pression qui la ferait se dilater uniformément. Au lieu de cela, son expansion est principalement motivée par la croissance tout au long de la périphérie de la colonie. Et la croissance le long du bord est sujette à des variations de nutriments qui aboutissent finalement à une croissance cahoteuse et inégale.

“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 Martinez-Calvo, chercheur postdoctoral à Princeton et premier auteur de l’article. “La pression de l’intérieur comblerait toutes les perturbations à la périphérie.”

Pour expliquer pourquoi cette pression n’était pas présente, les chercheurs ont ajouté une étiquette fluorescente aux protéines qui deviennent actives dans les cellules lorsque les bactéries se développent. La protéine fluorescente s’allume lorsque les bactéries sont actives et reste sombre lorsqu’elles ne le sont pas. En observant les colonies, les chercheurs ont vu que les bactéries sur le bord de la colonie étaient vert clair, tandis que le noyau restait sombre.

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

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

“Nous pensons qu’ils dorment parce qu’ils sont affamés”, a déclaré Datta, bien qu’il ait averti que des recherches supplémentaires étaient nécessaires pour explorer cela.

Datta a déclaré que les expériences et les modèles mathématiques utilisés par les chercheurs ont révélé qu’il y avait une limite supérieure aux bosses qui se formaient sur les surfaces des colonies. La surface bosselée est le résultat de variations aléatoires de l’oxygène et des nutriments dans l’environnement, mais le caractère aléatoire a tendance à s’équilibrer dans certaines limites.

“La rugosité a une limite supérieure de sa taille – la taille du fleuron si nous le comparons au brocoli”, a-t-il déclaré. “Nous avons pu prédire cela à partir des calculs, et cela semble être une caractéristique inévitable des grandes colonies qui poussent en 3D.”

Parce que la croissance bactérienne avait tendance à suivre un schéma similaire à la croissance cristalline et à d’autres phénomènes bien étudiés de matériaux inanimés, 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 à l’origine de la croissance, les implications des formes de croissance grossières pour le fonctionnement des colonies et l’application de ces leçons à d’autres domaines d’intérêt.

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

Référence : « Instabilité morphologique et rugosité des colonies bactériennes 3D en croissance » par Alejandro Martínez-Calvo, Tapomoy Bhattacharjee, R. Kōnane Bay, Hao Nghi Luu, Anna M. Hancock, Ned S. Wingreen et Sujit S. Datta, 18 octobre 2022, 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 Transformative Technology Fund, le Pew Biomedical Scholars Fund et le Human Frontier Science Program.