细菌菌落通常在实验室的培养皿中以条纹形式生长，但直到现在还没有人了解菌落如何在更真实的三维环境中排列，例如人体的组织和凝胶或环境中的土壤和沉积物。这一知识对于推进环境和医学研究可能非常重要。普林斯顿大学的一个团队现在已经开发出一种观察三维环境中细菌的方法。他们发现，当细菌生长时，它们的菌落始终形成迷人的粗糙形状，类似于西兰花的分枝头，远比在培养皿中看到的要复杂。

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普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、该研究的资深作者Sujit Datta说："自从300多年前发现细菌以来，大多数实验室研究都是在试管或培养皿里研究它们。这是实际限制的结果，而不是缺乏好奇心。如果你试图观察细菌在组织或土壤中的生长，实际上无法看到菌落在做什么，这确实是一个挑战。"

研究人员Sujit Datta，化学和生物工程助理教授，Alejandro Martinez-Calvo，博士后研究员和Anna Hancock，化学和生物工程的研究生。资料来源：普林斯顿大学的David Kelly Crow

Datta的研究小组使用一种突破性的实验装置发现了这种行为，该装置使他们能够对自然、三维状态的细菌菌落进行以前闻所未闻的观察。出乎意料的是，科学家们发现，野生菌落的生长始终类似于其他自然现象，如晶体的生长或窗玻璃上霜的扩散。

Datta说："这种粗糙的、枝状的形状在自然界中无处不在，但通常是在非生物系统的生长或聚集的背景下。我们发现的是，尽管这些是生物体的集合体，但在三维空间中生长的细菌群表现出一个非常类似的过程。"

这个关于细菌群落如何在三维空间发展的新解释最近发表在《美国国家科学院院刊》上。 Datta和他的同事希望他们的发现将有助于广泛的细菌生长研究，从创造更有效的抗菌剂到制药、医疗和环境研究，以及利用细菌进行工业用途的程序。

普林斯顿大学的研究人员安娜-汉考克、亚历杭德罗-马丁内斯-卡尔沃和苏吉特-达塔在实验室里

在基本层面上，这项工作揭示了生物系统中形式和功能的发展与材料科学和统计物理学中无生命的生长过程研究之间惊人的联系。但是这种关于细胞在三维中何时何地生长的新观点将引起任何对细菌生长感兴趣的人的兴趣，例如在环境、工业和生物医学应用方面。

几年来，Datta的研究团队一直在开发一个系统，使他们能够分析通常被掩盖在不透明环境中的现象，如流体流经土壤。该团队使用特殊设计的水凝胶，即类似于果冻和隐形眼镜中的吸水聚合物，作为支持细菌三维生长的基质。与那些普通版本的水凝胶不同，Datta的材料是由极其微小的水凝胶球组成的，很容易被细菌变形，允许支持细菌生长的氧气和营养物质自由通过，并且对光线透明。研究小组校准了水凝胶的构成以模仿土壤或组织的结构。水凝胶的强度足以支持不断增长的细菌菌落，而不会产生足够的阻力来限制其生长。

研究人员用四种不同的细菌，包括一种有助于产生康普茶（又名红茶菌）酸味的细菌进行了实验，观察它们如何在三维空间中生长。

"我们改变了细胞类型、营养条件和水凝胶特性，"Datta说。研究人员在每种情况下都看到了相同的、粗糙边缘的生长模式。"我们系统地改变了所有这些参数，但这似乎是一种通用现象。"

Datta说，有两个因素似乎导致了菌落表面的西兰花状生长。首先，能够获得高水平的营养物质或氧气的细菌将比在不太丰富的环境中的细菌生长和繁殖更快。即使是最均匀的环境也有一些不均匀的营养物质密度，这些变化导致菌落表面的斑点激增或落下。在三维空间中重复繁殖，这导致细菌群落形成凸点和结节，因为一些细菌亚群比它们的邻居生长得更快。

其次，研究人员观察到，在三维生长中，只有靠近菌落表面的细菌才会生长和分裂。挤在菌落中心的细菌似乎陷入了休眠状态。因为里面的细菌没有生长和分裂，所以外表面没有受到会导致其均匀扩张的压力。相反，它的扩张主要是由沿着菌落最边缘的生长所驱动。而沿着边缘的生长会受到养分变化的影响，最终导致不均匀地生长。

普林斯顿大学博士后研究员、论文第一作者亚历杭德罗-马丁内斯-卡尔沃（Alejandro Martinez-Calvo）说："如果生长是均匀的，而且菌落内部的细菌和外围的细菌之间没有区别，这就像填充一个气球。来自内部的压力将填补外围的任何扰动"。

为了解释为什么这种压力不存在，研究人员向细菌生长时在细胞中变得活跃的蛋白质添加了一个荧光标签。荧光蛋白在细菌活跃时亮起，在细菌不活跃时保持黑暗。观察这些菌落，研究人员看到，菌落边缘的细菌是亮绿色的，而核心部分则保持黑暗。

Datta说："菌落基本上是自我组织成一个核心和一个外壳，它们的行为方式非常不同。理论上讲，菌落边缘的细菌吸收了大部分的营养物质和氧气，留给内部细菌的东西很少。我们认为它们进入休眠状态是因为它们被饿死了，"尽管他提醒说还是需要进一步的研究来探讨这个问题。

Datta说，研究人员使用的实验和数学模型发现，在菌落表面形成的凸点有一个上限。凹凸不平的表面是环境中的氧气和营养物质随机变化的结果，但随机性在一定范围内趋于平衡。

"粗糙度有一个上限，即它能长多大，我们能够从数学中预测到这一点，而且它似乎是大型菌落在三维中生长的一个不可避免的特征。"

由于细菌的生长倾向于遵循与晶体生长和其他经过充分研究的无生命材料的现象类似的模式，Datta说研究人员能够调整标准数学模型以反映细菌的生长。他说，未来的研究可能将集中在更好地理解生长背后的机制，粗糙的生长形状对菌落功能的影响，以及将这些经验应用到其他感兴趣的领域。最终，这项工作为我们提供了更多的工具，以了解并最终控制细菌在自然界的生长方式。

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