細菌菌落通常在實驗室的培養皿中以條紋形式生長，但直到現在還沒有人了解菌落如何在更真實的三維環境中排列，例如人體的組織和凝膠或環境中的土壤和沈積物。這一知識對於推進環境和醫學研究可能非常重要。普林斯頓大學的一個團隊現在已經開發出一種觀察三維環境中細菌的方法。他們發現，當細菌生長時，它們的菌落始終形成迷人的粗糙形狀，類似於西蘭花的分枝頭，遠比在培養皿中看到的要復雜。

普林斯頓大學化學和生物工程助理教授、該研究的資深作者Sujit Datta說：”自從300多年前發現細菌以來，大多數實驗室研究都是在試管或培養皿裡研究它們。這是實際限制的結果，而不是缺乏好奇心。如果你試圖觀察細菌在組織或土壤中的生長，實際上無法看到菌落在做什麼，這確實是一個挑戰。”

研究人員Sujit Datta，化學和生物工程助理教授，Alejandro Martinez-Calvo，博士後研究員和Anna Hancock，化學和生物工程的研究生。資料來源：普林斯頓大學的David Kelly Crow

Datta的研究小組使用一種突破性的實驗裝置發現了這種行為，該裝置使他們能夠對自然、三維狀態的細菌菌落進行以前聞所未聞的觀察。出乎意料的是，科學家們發現，野生菌落的生長始終類似於其他自然現象，如晶體的生長或窗玻璃上霜的擴散。

Datta說：”這種粗糙的、枝狀的形狀在自然界中無處不在，但通常是在非生物系統的生長或聚集的背景下。我們發現的是，儘管這些是生物體的集合體，但在三維空間中生長的細菌群表現出一個非常類似的過程。”

這個關於細菌群落如何在三維空間發展的新解釋最近發表在《美國國家科學院院刊》上。Datta和他的同事希望他們的發現將有助於廣泛的細菌生長研究，從創造更有效的抗菌劑到製藥、醫療和環境研究，以及利用細菌進行工業用途的程序。

普林斯頓大學的研究人員安娜-漢考克、亞歷杭德羅-馬丁內斯-卡爾沃和蘇吉特-達塔在實驗室裡

在基本層面上，這項工作揭示了生物系統中形式和功能的發展與材料科學和統計物理學中無生命的生長過程研究之間驚人的聯繫。但是這種關於細胞在三維中何時何地生長的新觀點將引起任何對細菌生長感興趣的人的興趣，例如在環境、工業和生物醫學應用方面。

幾年來，Datta的研究團隊一直在開發一個系統，使他們能夠分析通常被掩蓋在不透明環境中的現象，如流體流經土壤。該團隊使用特殊設計的水凝膠，即類似於果凍和隱形眼鏡中的吸水聚合物，作為支持細菌三維生長的基質。與那些普通版本的水凝膠不同，Datta的材料是由極其微小的水凝膠球組成的，很容易被細菌變形，允許支持細菌生長的氧氣和營養物質自由通過，並且對光線透明。研究小組校準了水凝膠的構成以模仿土壤或組織的結構。水凝膠的強度足以支持不斷增長的細菌菌落，而不會產生足夠的阻力來限制其生長。

研究人員用四種不同的細菌，包括一種有助於產生康普茶（又名紅茶菌）酸味的細菌進行了實驗，觀察它們如何在三維空間中生長。

“我們改變了細胞類型、營養條件和水凝膠特性，”Datta說。研究人員在每種情況下都看到了相同的、粗糙邊緣的生長模式。”我們系統地改變了所有這些參數，但這似乎是一種通用現象。”

Datta說，有兩個因素似乎導致了菌落表面的西蘭花狀生長。首先，能夠獲得高水平的營養物質或氧氣的細菌將比在不太豐富的環境中的細菌生長和繁殖更快。即使是最均勻的環境也有一些不均勻的營養物質密度，這些變化導致菌落表面的斑點激增或落下。在三維空間中重複繁殖，這導致細菌群落形成凸點和結節，因為一些細菌亞群比它們的鄰居生長得更快。

其次，研究人員觀察到，在三維生長中，只有靠近菌落表面的細菌才會生長和分裂。擠在菌落中心的細菌似乎陷入了休眠狀態。因為裡面的細菌沒有生長和分裂，所以外表面沒有受到會導致其均勻擴張的壓力。相反，它的擴張主要是由沿著菌落最邊緣的生長所驅動。而沿著邊緣的生長會受到養分變化的影響，最終導致不均勻地生長。

普林斯頓大學博士後研究員、論文第一作者亞歷杭德羅-馬丁內斯-卡爾沃（Alejandro Martinez-Calvo）說：”如果生長是均勻的，而且菌落內部的細菌和外圍的細菌之間沒有區別，這就像填充一個氣球。來自內部的壓力將填補外圍的任何擾動”。

為了解釋為什麼這種壓力不存在，研究人員向細菌生長時在細胞中變得活躍的蛋白質添加了一個熒光標籤。熒光蛋白在細菌活躍時亮起，在細菌不活躍時保持黑暗。觀察這些菌落，研究人員看到，菌落邊緣的細菌是亮綠色的，而核心部分則保持黑暗。

Datta說：”菌落基本上是自我組織成一個核心和一個外殼，它們的行為方式非常不同。理論上講，菌落邊緣的細菌吸收了大部分的營養物質和氧氣，留給內部細菌的東西很少。我們認為它們進入休眠狀態是因為它們被餓死了，”儘管他提醒說還是需要進一步的研究來探討這個問題。

Datta說，研究人員使用的實驗和數學模型發現，在菌落表面形成的凸點有一個上限。凹凸不平的表面是環境中的氧氣和營養物質隨機變化的結果，但隨機性在一定範圍內趨於平衡。

“粗糙度有一個上限，即它能長多大，我們能夠從數學中預測到這一點，而且它似乎是大型菌落在三維中生長的一個不可避免的特徵。”

由於細菌的生長傾向於遵循與晶體生長和其他經過充分研究的無生命材料的現像類似的模式，Datta說研究人員能夠調整標準數學模型以反映細菌的生長。他說，未來的研究可能將集中在更好地理解生長背後的機制，粗糙的生長形狀對菌落功能的影響，以及將這些經驗應用到其他感興趣的領域。最終，這項工作為我們提供了更多的工具，以了解並最終控制細菌在自然界的生長方式。