کشف راهی جدید برای شناخت باکتری‌ها

محققان دانشگاه "پرینستون" آمریکا در مطالعه اخیرشان اظهار کرده اند پس از ۳۰۰ سال مطالعه، راه جدیدی برای درک باکتری ها پیدا شده است.

به گزارش ایسنا به نقل از تی ان، در آزمایشگاه ها، کلنی های باکتریایی معمولا به صورت چندین رگه در پتری دیش رشد می کنند، ولی تا به حال هیچ کس درک نکرده است که چگونه کلنی ها خود را در محیط های سه بعدی واقعی تر مانند بافت ها و ژل ها در بدن ما یا خاک ها و رسوبات در محیط زیست، سازماندهی می کنند. دانستن این موارد میتواند برای پیشرفت تحقیقات پزشکی و زیست محیطی حیاتی باشد.

اکنون یک گروه از محققان دانشگاه" پرینستون" راهی برای مشاهده باکتری ها در محیط های سه بعدی اختراع کرده اند. آنها دریافتند که با رشد باکتری ها، کلنی های آن ها بطور مداوم شکل های جذابی شبیه سرِ شاخه ای از کلم بروکلی تشکیل می دهند که این ساختار بسیار پیچیده تر از شکل هایی است که معمولا در یک ظرف صاف دیده می شود.

"سوجیت داتا" (Sujit Datta) استادیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه پرینستون و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: از زمان کشف باکتری ها در بیش از ۳۰۰ سال قبل، بیشتر تحقیقات آزمایشگاهی آنها را در لوله های آزمایش یا روی پتری دیش مورد مطالعه قرار داده اند که این امر نتیجه محدودیت های عملی بود و به دلیل عدم کنجکاوی نبود. اگر رشد باکتری ها را در بافت ها یا خاک ها مشاهده کنید، در می یابید که آنها مات و کدر هستند و در واقع نمی توانید ببینید که کلنی چه می کند. این واقعا چالش برانگیز است.

در این مطالعه داتا و همکارانش این رفتار را با استفاده از یک سیستم آزمایشی کشف کردند که این سیستم به آنها اجازه می دهد مشاهدات بی سابقه ای از کلونی های باکتری در حالت طبیعی و سه بعدی خود انجام دهند. بطور غیرمنتظره، محققان پس از آزمایشات دریافتند که رشد کلنی های وحشی به طور مداوم شبیه سایر پدیده های طبیعی مانند رشد کریستال ها یا گسترش یخ زدگی روی شیشه های پنجره است.

داتا گفت: این نوع اشکال خشن و شاخه دار در طبیعت در همه جا وجود دارند، اما معمولا در زمینه رشد یا تجمع سیستم های غیرزنده فعالیت دارند. آنچه ما دریافتیم این است که به رغم این واقعیت که اینها مجموعه ای از موجودات زنده هستند، رشد آنها در حالت سه بعدی، ساختار کلنی باکتریایی بسیار مشابهی دارد.

داتا و همکارانش امیدوارند که این یافته ها به مجموعه ای از تحقیقات مربوط به رشد باکتری ها از توسعه مواد ضدمیکروبی مؤثرتر گرفته تا تحقیقات دارویی، پزشکی و زیست محیطی و همچنین فرآیندهایی که باکتری ها را برای استفاده صنعتی مهار می کنند، کمک کند.

داتا گفت: در سطح بنیادی، ما هیجان زده هستیم که این کار پیوندهای شگفت انگیزی را بین توسعه شکل و عملکرد در سیستم های بیولوژیکی و مطالعات فرآیندهای رشد بی جان در علم مواد و فیزیک آماری نشان می دهد. اما همچنین، ما فکر می کنیم که این دیدگاه جدید از زمان و مکان رشد سلول ها به صورت سه بعدی برای هر کسی که علاقمند به رشد باکتری (Bacterium) است مانند کاربردهای زیست محیطی، صنعتی و زیست پزشکی جالب خواهد بود.

برای چندین سال، تیم تحقیقاتی داتا در حال توسعه سیستمی بوده است که به آن ها اجازه بدهد پدیده هایی را که معمولا در محیط های غیر شفاف پنهان میشوند (مانند مایع در حال جریان در خاک) را تجزیه و تحلیل کنند. این گروه از هیدروژل های طراحی شده ویژه، پلیمرهای جاذب آب شبیه به ژله ها و لنزهای تماسی بعنوان ماتریس هایی برای حمایت از رشد باکتری ها در حالت سه بعدی استفاده می کنند. برخلاف نسخه های رایج هیدروژل ها، مواد این گروه از محققان از توپ های بسیار ریز هیدروژل تشکیل شده اند که به راحتی توسط باکتری ها تغییر شکل می‌دهند و اجازه عبور آزادانه اکسیژن و مواد مغذی را می دهند که از رشد باکتری ها حمایت می کنند و در برابر نور شفاف هستند.

داتا افزود: این مواد مانند یک گودال توپ هستند که در آن هر توپ یک هیدروژل جداگانه است. آن ها میکروسکوپی هستند، بنابراین شما واقعا نمی توانید آنها را ببینید. تیم تحقیقاتی ما ترکیب هیدروژل را برای تقلید از ساختار خاک یا بافت کالیبره کردند. هیدروژل به اندازه کافی قوی است که بدون اینکه مقاومت کافی برای محدود کردن رشد ایجاد کند ، از کلنی باکتریایی در حال رشد حمایت کند. از آنجایی که کلنی های باکتری در ماتریس هیدروژل رشد می کنند، می توانند به راحتی توپ های اطراف خود را مرتب کنند تا به دام نیفتند.

در ادامه محققان آزمایشاتی را با چهار گونه مختلف باکتری انجام دادند تا ببینند چگونه آن ها در محیط سه بعدی رشد می کنند.

داتا گفت: ما انواع سلول، شرایط مواد مغذی و خواص هیدروژل را تغییر دادیم. محققان در هر مورد الگوهای رشد یکسانی را مشاهده کردند. ما بطور سیستماتیک همه این پارامترها را تغییر دادیم، اما به نظر می رسد این یک پدیده عمومی است.

داتا گفت که به نظر میرسد دو عامل باعث رشد همانند کلم بروکلی شکل در سطح کلنی می شود. اول، باکتری هایی که به سطوح بالایی از مواد مغذی یا اکسیژن دسترسی دارند، سریع تر از باکتری های موجود در محیط های دارای اکسیژن کمتر، رشد و تکثیر می شوند. حتی یکنواخت ترین محیط ها دارای تراکم ناهمواری از مواد مغذی هستند و این تغییرات باعث می شود لکه هایی در سطح کلنی به جلو یا عقب بروند. تکرار در سه بعدی، باعث می شود کلنی باکتری، برجستگی ها و ندول هایی را تشکیل دهد زیرا برخی از زیر گروه های باکتری سریع تر از همسایگان خود رشد می کنند. گِرِهَک یا ندول (nodule) یک ساختار غیرعادی گرد و تقریباً سفت است که در قسمت های مختلف بدن ممکن است بروز کند.

دوم، محققان مشاهده کردند که در رشد در محیط سه بعدی، تنها باکتری های نزدیک به سطح کلنی رشد کرده و تقسیم می شوند. به نظر میرسید که باکتری هایی که در مرکز کلنی جمع شده اند، در حالت غیرفعال هستند. از آنجایی که باکتری های درونی رشد نمی کردند و تقسیم نمی شدند، سطح بیرونی تحت فشاری قرار نمی گرفت که باعث انبساط یکنواخت آن شود. در عوض ، گسترش آن در درجه اول توسط رشد در امتداد لبه کلنی انجام می شود و رشد در امتداد لبه در معرض تغییرات مواد مغذی است که در نهایت منجر به رشد ناهموار می شود.

"آلخاندرو مارتینز- کالوو" (Alejandro Martinez- Calvo)، محقق مقطع فوق دکتری در دانشگاه پرینستون و نویسنده این مطالعه، گفت: اگر رشد یکنواخت بود و تفاوتی بین باکتری های داخل کلنی و باکتری های اطراف کلنی وجود نداشت، این کار مانند پر کردن یک بالن بود. فشار از داخل هرگونه آشفتگی در اطراف را پر می کند.

برای توضیح این که چرا این فشار وجود ندارد، محققان یک برچسب فلورسنت را به پروتئین هایی اضافه کردند که با رشد باکتری ها در سلول ها فعال می شوند. پروتئین (Protein) فلورسنت زمانی که باکتری ها فعال هستند روشن می شود و زمانی که فعال نیستند تاریک می ماند. با مشاهده مستعمرات، محققان مشاهده کردند که باکتری های لبه کلنی به رنگ سبز روشن هستند، در حالی که رنگ هسته این کلنی تیره باقی مانده است.

داتا گفت: این کلنی اساسا خود سازماندهی می کند و به یک هسته و پوسته تبدیل می شود که رفتارهای متفاوتی دارند. نظریه این است که باکتری های لبه های کلنی بیشتر مواد مغذی و اکسیژن را جذب می کنند و مقدار کمی برای باکتری های درونی باقی می گذارند. ما فکر می کنیم که آنها به دلیل گرسنگی در حال خوابیدن هستند. در تحقیقات آینده احتمالاً محققان بر درک بهتر مکانیسم های پشت رشد، پیامدهای ساختارهای رشد در عملکرد کلنی ها و به کارگیری این درس ها در سایر زمینه های مورد علاقه تمرکز خواهند کرد.

او گفت: در نهایت، این کار اطلاعات بیشتری را برای درک و در نهایت کنترل نحوه رشد باکتری ها در طبیعت به ما ارائه می دهد.

یافته های این مطالعه در مجله "National Academy of Sciences" منتشر شده است.