کشف روشی جدید برای شناخت باکتری‌ها پس از ۳۰۰ سال

 

اکنون یک گروه از محققان دانشگاه "پرینستون" در آمریکا روشی جدید برای مشاهده باکتری‌ها در محیط‌های سه بعدی اختراع کرده‌اند. آن‌ها دریافتند که با رشد باکتری‌ها، کلنی‌های آن‌ها به طور مداوم شکل‌های جذابی شبیه به سرِ شاخه‌ای از کلم بروکلی تشکیل می‌دهند که این ساختار بسیار پیچیده‌تر از شکل‌هایی است که معمولا در یک ظرف صاف دیده می‌شود.

 

"سوجیت داتا" (Sujit Datta) استادیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه پرینستون و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: از زمان کشف باکتری‌ها در بیش از ۳۰۰ سال پیش، بیشتر تحقیقات آزمایشگاهی آن‌ها را در لوله‌های آزمایش یا روی پتری دیش مورد مطالعه قرار داده‌اند که این امر نتیجه محدودیت‌های عملی بود و به دلیل عدم کنجکاوی نبود. اگر رشد باکتری‌ها را در بافت‌ها یا خاک‌ها مشاهده کنید، در می‌یابید که آن‌ها مات و کدر هستند و در واقع نمی‌توانید ببینید که کلنی چه می‌کند. 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 می‌دهد مشاهدات بی‌سابقه‌ای از کلونی‌های باکتری در حالت طبیعی و سه بعدی خود انجام دهند. به‌طور غیرمنتظره، محققان پس از آزمایشات دریافتند که رشد کلنی‌های وحشی به طور مداوم شبیه سایر پدیده‌های طبیعی مانند رشد کریستال‌ها یا گسترش یخ‌زدگی روی شیشه‌های پنجره است.

 

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

 

داتا و همکارانش امیدوارند که این یافته‌ها به مجموعه‌ای از تحقیقات مربوط به رشد باکتری‌ها از توسعه مواد ضدمیکروبی مؤثرتر گرفته تا تحقیقات دارویی، پزشکی و زیست‌محیطی و همچنین فرآیند‌هایی که باکتری‌ها را برای استفاده صنعتی مهار می‌کنند، کمک کند.

 

داتا بیان کرد: در سطح بنیادی، ما هیجان‌زده هستیم که این کار پیوند‌های شگفت‌انگیزی را بین توسعه شکل و عملکرد در سیستم‌های بیولوژیکی و مطالعات فرآیند‌های رشد بی‌جان در علم مواد و فیزیک آماری نشان می‌دهد. اما همچنین، ما فکر می‌کنیم که این دیدگاه جدید از زمان و مکان رشد سلول‌ها به صورت سه بعدی برای هر کسی که علاقه‌مند به رشد باکتری است مانند کاربرد‌های زیست‌محیطی، صنعتی و زیست‌پزشکی جالب خواهد بود.

 

برای چندین سال، تیم تحقیقاتی داتا در حال توسعه سیستمی بوده است که به آن‌ها اجازه بدهد پدیده‌هایی را که معمولا در محیط‌های غیر شفاف پنهان می‌شوند (مانند مایع در حال جریان در خاک) را تجزیه و تحلیل کنند. این گروه از هیدروژل‌های طراحی‌شده ویژه، پلیمر‌های جاذب آب شبیه به ژله‌ها و لنز‌های تماسی به‌عنوان ماتریس‌هایی برای حمایت از رشد باکتری‌ها در حالت سه بعدی استفاده می‌کنند. برخلاف نسخه‌های رایج هیدروژل‌ها، مواد این گروه از محققان از توپ‌های بسیار ریز هیدروژل تشکیل شده‌اند که به راحتی توسط باکتری‌ها تغییر شکل می‌دهند و اجازه عبور آزادانه اکسیژن و مواد مغذی را می‌دهند که از رشد باکتری‌ها حمایت می‌کنند و در برابر نور شفاف هستند.

 

داتا افزود: این مواد مانند یک گودال توپ هستند که در آن هر توپ یک هیدروژل جداگانه است. آن‌ها میکروسکوپی هستند، بنابراین شما واقعا نمی‌توانید 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 کلنی‌های باکتری در ماتریس هیدروژل رشد می‌کنند، می‌توانند به راحتی توپ‌های اطراف خود را مرتب کنند تا به دام نیفتند.

 

در ادامه محققان آزمایشاتی را با چهار گونه مختلف باکتری انجام دادند تا ببینند چگونه آن‌ها در محیط سه بعدی رشد می‌کنند.

 

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 به طور سیستماتیک همه این پارامتر‌ها را تغییر دادیم، اما به نظر می‌رسد این یک پدیده عمومی است.

 

داتا افزود: به نظر می‌رسد دو عامل باعث رشد کلم بروکلی شکل در سطح کلنی می‌شود. اول، باکتری‌هایی که به سطوح بالایی از مواد مغذی یا اکسیژن دسترسی دارند، سریع‌تر از باکتری‌های موجود در محیط‌های دارای اکسیژن کمتر، رشد و تکثیر می‌شوند. حتی یکنواخت‌ترین محیط‌ها دارای تراکم ناهمواری از مواد مغذی هستند و این تغییرات باعث می‌شود لکه‌هایی در سطح کلنی به جلو یا عقب بروند. تکرار در سه بعدی، باعث می‌شود کلنی باکتری، برجستگی‌ها و ندول‌هایی را تشکیل دهد، زیرا برخی از زیر گروه‌های باکتری سریع‌تر از همسایگان خود رشد می‌کنند. گِرِهَک یا ندول (nodule) یک ساختار غیرعادی گرد و تقریباً سفت است که در قسمت‌های مختلف بدن ممکن است بروز کند.

 

دوم، محققان مشاهده کردند که در رشد در محیط سه بعدی، تنها باکتری‌های نزدیک به سطح کلنی رشد کرده و تقسیم می‌شوند. به نظر می‌رسید که باکتری‌هایی که در مرکز کلنی جمع شده‌اند، در حالت غیرفعال هستند. از آنجایی که باکتری‌های درونی رشد نمی‌کردند و تقسیم نمی‌شدند، سطح بیرونی تحت فشاری قرار نمی‌گرفت که باعث انبساط یکنواخت آن شود. در عوض، گسترش آن در درجه اول توسط رشد در امتداد لبه کلنی انجام می‌شود و رشد در امتداد لبه در معرض تغییرات مواد مغذی است که در نهایت منجر به رشد ناهموار می‌شود.

 

"آلخاندرو مارتینز-کالوو"، محقق مقطع فوق دکتری در دانشگاه پرینستون و نویسنده این مطالعه، گفت: اگر رشد یکنواخت بود و تفاوتی بین باکتری‌های داخل کلنی و باکتری‌های اطراف کلنی وجود نداشت، این کار مانند پر کردن یک بالن بود. فشار از داخل هرگونه آشفتگی در اطراف را پر می‌کند.

 

برای توضیح اینکه چرا این فشار وجود ندارد، محققان یک برچسب فلورسنت را به پروتئین‌هایی اضافه کردند که با رشد باکتری‌ها در سلول‌ها فعال می‌شوند. پروتئین فلورسنت زمانی که باکتری‌ها فعال هستند روشن می‌شود و زمانی که فعال نیستند تاریک می‌ماند. با مشاهده مستعمرات، محققان مشاهده کردند که باکتری‌های 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 می‌کند و به یک هسته و پوسته تبدیل می‌شود که رفتار‌های متفاوتی دارند. نظریه این است که باکتری‌های لبه‌های کلنی بیشتر مواد مغذی و اکسیژن را جذب می‌کنند و مقدار کمی برای باکتری‌های درونی باقی می‌گذارند. ما فکر می‌کنیم که آن‌ها به دلیل گرسنگی در حال خوابیدن هستند. در تحقیقات آینده احتمالاً محققان بر درک بهتر مکانیسم‌های پشت رشد، پیامد‌های ساختار‌های رشد در عملکرد کلنی‌ها و به کارگیری این درس‌ها در سایر زمینه‌های مورد علاقه تمرکز خواهند کرد.

 

او گفت: در نهایت، این کار اطلاعات بیشتری را برای درک و در نهایت کنترل نحوه رشد باکتری‌ها در طبیعت به ما ارائه می‌دهد.

 

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