Para peneliti mampu mengamati pertumbuhan koloni bakteri dalam tiga dimensi. Kredit: Neil Adentarar/Universitas Princeton
Para peneliti menemukan bahwa koloni bakteri terbentuk dalam tiga dimensi dengan bentuk kasar seperti kristal.
Koloni bakteri sering tumbuh berjajar pada cawan petri di laboratorium, namun sampai saat ini belum 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. Pengetahuan ini dapat menjadi penting untuk pengembangan lebih lanjut dari penelitian lingkungan dan medis.
Sebuah tim dari Universitas Princeton 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 yang menyerupai kepala brokoli bercabang, jauh lebih kompleks daripada yang kita lihat di cawan Petri.
“Sejak bakteri ditemukan lebih dari 300 tahun yang lalu, sebagian besar studi laboratorium telah melihat mereka dalam tabung reaksi atau cawan Petri,” kata Sujit Datta, asisten profesor teknik kimia dan biologi di Universitas Princeton dan penulis utama studi tersebut. Ini karena keterbatasan praktis daripada kurangnya rasa ingin tahu. “Jika Anda mencoba melihat bakteri tumbuh di jaringan atau tanah, gambarnya kabur dan Anda tidak bisa benar-benar melihat apa yang dilakukan koloni. Itulah tantangan sebenarnya.”
Para peneliti tersebut adalah Sujit Datta, Asisten Profesor Kimia dan Bioengineering, Alejandro Martínez Calvo, Peneliti Postdoctoral, dan Ana Hancock, mahasiswa PhD di bidang Kimia dan Bioteknologi. Kredit foto: David Kelly Crowe dari Universitas Princeton
Kelompok riset Data menemukan perilaku ini menggunakan pengaturan eksperimental inovatif yang memungkinkan mereka melakukan pengamatan koloni bakteri yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam keadaan tiga dimensi alami mereka. Anehnya, para ilmuwan telah menemukan bahwa pertumbuhan koloni liar secara konsisten menyerupai fenomena alam lainnya seperti pertumbuhan kristal atau penyebaran embun beku pada kaca jendela.
“Jenis bentuk bergerigi dan bercabang ini ada di mana-mana, tetapi biasanya diasosiasikan dengan pertumbuhan atau aglomerasi sistem mati,” kata Datta. “Apa yang kami temukan adalah pertumbuhan koloni bakteri 3D menunjukkan proses yang sangat mirip meskipun mereka adalah kelompok organisme.”
Penjelasan baru tentang bagaimana koloni bakteri berevolusi dalam tiga dimensi baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal tersebut Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional. Datta dan rekan-rekannya berharap temuan mereka akan mendukung berbagai penelitian pertumbuhan bakteri, mulai dari menciptakan antimikroba yang lebih efektif hingga penelitian farmasi, medis dan lingkungan, hingga proses yang menggunakan bakteri untuk keperluan industri.
Peneliti Princeton di lab. Kredit foto: David Kelly Crowe dari Universitas Princeton
“Secara umum, kami senang bahwa karya ini mengungkapkan hubungan yang mengejutkan antara evolusi bentuk dan fungsi dalam sistem biologi dan studi proses pertumbuhan non-hidup dalam ilmu material dan fisika statistik. Tapi kami juga percaya bahwa wawasan baru tentang 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 bertahun-tahun, tim riset Datta telah mengembangkan sistem yang mampu menganalisis fenomena yang biasanya tertutup dalam kondisi buram, seperti: B. aliran cairan melalui tanah. Tim menggunakan hidrogel yang direkayasa secara khusus, yang merupakan polimer penyerap air yang serupa dengan yang ditemukan pada lensa kontak dan jeli, sebagai matriks untuk mendukung pertumbuhan bakteri dalam 3D. Berbeda dengan versi hidrogel biasa, bahan Data terdiri dari manik-manik hidrogel yang sangat kecil yang mudah berubah bentuk oleh bakteri, memungkinkan lewatnya oksigen dan nutrisi secara bebas yang mendukung pertumbuhan bakteri, dan tembus cahaya.
“Ini seperti kolam bola di mana setiap bola adalah hidrogel individu. Ini mikroskopis, jadi Anda tidak bisa 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 dan cukup untuk membatasi pertumbuhan.
“Ketika koloni bakteri tumbuh dalam matriks hidrogel, mereka dapat dengan mudah mengatur ulang manik-manik di sekitarnya sehingga tidak terjebak,” katanya. “Ini seperti meletakkan tangan Anda di lubang bola. Jika Anda menariknya, bola akan memposisikan dirinya sendiri di sekitar lengan Anda.”
Para peneliti bereksperimen dengan empat jenis bakteri (termasuk yang menghasilkan 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 kotor yang sama di setiap kasus. “Kami telah mengubah semua parameter ini secara sistematis, tetapi ini tampaknya merupakan fenomena yang tersebar luas.”
Data menunjukkan bahwa dua faktor tampaknya menyebabkan pertumbuhan berbentuk kembang kol di permukaan koloni. Pertama, bakteri dengan kandungan nutrisi atau oksigen yang lebih tinggi akan tumbuh dan berkembang biak lebih cepat daripada bakteri di lingkungan yang kurang melimpah. Bahkan lingkungan yang paling konsisten pun memiliki kepadatan nutrisi yang tidak sama, dan perbedaan ini menyebabkan bintik-bintik bergerak bolak-balik di permukaan koloni. Ini berulang dalam tiga dimensi, menyebabkan koloni bakteri membentuk rumpun dan nodul karena beberapa himpunan bagian bakteri tumbuh lebih cepat daripada tetangganya.
Kedua, para peneliti menemukan bahwa dengan pertumbuhan 3D, hanya bakteri di dekat permukaan koloni yang tumbuh dan membelah. Bakteri yang disematkan di tengah koloni tampaknya telah jatuh ke kondisi hibernasi. Karena bakteri di bagian dalam tidak tumbuh dan membelah, bagian luar tidak mengalami tekanan apa pun, memungkinkannya berkembang secara merata. Sebaliknya, perluasannya terutama didorong oleh pertumbuhan di sepanjang tepi koloni. Pertumbuhan marjinal tunduk pada perubahan pola makan yang akhirnya menyebabkan pertumbuhan terhambat dan tidak teratur.
“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 neon ke protein yang menjadi aktif saat bakteri tumbuh di dalam sel. Protein fluoresen bersinar saat bakteri aktif dan tetap gelap saat tidak aktif. Mengamati koloni, para peneliti melihat bahwa bakteri di tepi koloni berwarna hijau muda, sedangkan intinya tetap gelap.
“Pada dasarnya, koloni menyusun diri 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 di dalamnya.
“Kami pikir mereka berhibernasi karena lapar,” kata Datta, meskipun dia memperingatkan bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengeksplorasi hal ini.
Data menyatakan bahwa eksperimen dan model matematis yang digunakan para peneliti mengungkapkan 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 konsisten dalam batas-batas tertentu.
“Kekasaran memiliki batas atas seberapa besar – seukuran bunga jika kita bandingkan dengan brokoli,” katanya. “Kita bisa memprediksi ini dengan matematika, dan tampaknya menjadi fitur yang tak terelakkan untuk menumbuhkan 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 dan bagaimana hal itu memengaruhi bentuk pertumbuhan kotor dari fungsi koloni, dan menerapkan pelajaran ini ke bidang minat lainnya.
“Pada akhirnya, pekerjaan ini memberi kita lebih banyak alat untuk memahami dan mengendalikan bagaimana bakteri tumbuh di alam,” katanya.
Referensi: “Ketidakstabilan morfologis dan kekasaran pertumbuhan tiga dimensi koloni bakteri” 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 Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2208019119
Studi yang 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.