Bakteriler Sıra Haline Giriyor, Ardından Sıvı Kristallerde Beklenmedik Şekiller Oluşturuyor

Bilim insanları, bakterileri laboratuvar ortamlarından uzaklaştırıp, doğal yaşam alanlarına daha yakın koşullarda incelediklerinde, sıklıkla şaşırtıcı davranışlarla karşılaşırlar. Caltech’teki kimya mühendisliği, biyomühendislik ve biyofizik profesörü Sujit Datta için bu beklenmedik durumlar, fiziği heyecan verici yeni bulmacalara uygulamak için bir davettir.

Araştırmalar, bakterilerin kendilerini nasıl organize ettikleri ve çevreleriyle nasıl etkileşim kurdukları hakkında daha önce bilinmeyen yolların ortaya çıkarılmasını sağlamış ve bakteri kolonilerinin şeklinin hayatta kalma, büyüme ve hatta tedaviye karşı direnç yeteneklerini nasıl etkilediği konusunda yeni sorulara yol açmıştır.

Son zamanlarda, Datta ve eski lisans öğrencisi Sebastian Gonzalez La Corte, bakterilerin sıvı kristal sıvılar içinde büyüdüğünü incelediler; bu sıvılarda moleküller uzun ve aynı yönde hizalanmıştır. Bu tür bir durum bazı biyolojik sıvılarda görülürken, laboratuvar deneylerinde genellikle tercihli yönü olmayan sıvılarda bakteri incelenir. Yine de, ekip beklenmedik gözlemler yapmıştır.

Bulgular, PNAS dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Datta’nın grubu daha önce rastgele düzenlenmiş moleküllere sahip polimer sıvılarda bakterilerin büyümesini incelemiş ve modellemiştir. Bu ortamda, Escherichia coli, Vibrio cholerae (koleraya neden olan patojen) ve Pseudomonas aeruginosa (özellikle bağışıklık sistemi zayıf veya hastanede yatan hastalarda enfeksiyonlara neden olan bir tür bakteri) gibi yaygın olarak incelenen bakteri türlerinin uzun, birkaç hücre genişliğinde kablolar halinde büyüdüğü ve birbirine dolanarak “canlı bir jel” oluşturduğu bulunmuştur.

Bunun aksine, yeni çalışma, hizalı bir sıvı kristal sıvıda bakterilerin tek hücre genişliğindeki zincirler oluşturduğunu ve nispeten düz çizgiler boyunca uzadığını, ancak ardından beklenmedik şekilde büküldüğünü göstermektedir.

Normalde, bir çelik kiriş her iki uçtan sıkıştırıldığında, yavaş yavaş tüm uzunluğu boyunca kavisli bir yay şeklinde eğilir. Ancak, bakterilerden oluşan bir “kiriş” sıvı kristal sıvıda olduğunda, bükülme yerelizedir; yani sadece küçük bir bölüm çok sıkı bir şekilde eğilir. Bu bakterilerin neden farklı davranabildiği sorusu akla gelmektedir.

“Bu tuhaf bir mekanik problem,” diyor Datta. “Mühendisler, ince ve uzun kirişlerin nasıl büküldüğünü onlarca yıldır inceliyorlar. Ancak bu, o problemin tuhaf bir versiyonu çünkü bu kiriş, kendini çoğaltan hücrelerden oluşuyor.”

Datta ve meslektaşları, Wisconsin-Madison Üniversitesi ve Kuzey Karolina Üniversitesi’ndeki matematiksel uygulamalar uzmanlarıyla işbirliği yaparak, bakterilerin sıvı kristallerdeki büyümesini modelleyen bir matematiksel model geliştirdiler.

Sistemi anlamak için, bir kibrit kutusundaki kibritlere benzetme yapın: Kibritler hizalı sıvı kristal molekülleridir. Şimdi sisteme bir bakteri ekleyin; bakterinin boyutu sıvı kristallerden çok daha büyük olduğundan, bunu çok büyük bir kibrit kutusunda bulunan bir kalemle temsil edebilirsiniz.

“Kibritlerin hizasından çıkmak istemediklerinden, geriye doğru itiyorlar. Kalemi onlarla aynı hizada tutmaya çalışıyorlar,” diye açıklıyor Datta. Bu, bilim insanlarının sıvı kristallerdeki “bükülme esnekliği” olarak adlandırdığı bir durumdur ve bu, gözlemlenen bakterilerin davranışlarını büyük ölçüde etkiler.

Benzetmeyi sürdürürsek, şimdi kalemin uzadığını ve daha fazla kalem ürettiğini hayal edin; bu kalemler de hizalanır ve tek bir zincir oluşturur – Datta’ya göre, enerji açısından en uygun senaryo budur.

Kalemin ucunda, kibritlerin genişliğine uyum sağlamak için hafifçe bükülmesi gerekir ve bu da sisteme enerji maliyeti getirir. Birden fazla kalemin üst üste yığıldığında, bükülme enerjisi maliyeti daha yüksektir.

Tüm bunlar, sıvı kristal moleküllerinin bakteriler üzerinde nasıl bir baskı uyguladığını ve hizalanmış zinciri koruduğunu açıkça göstermektedir. Ayrıca, bilinen sıvı kristal davranışının temel ilkelerini kullanarak, bilim insanları bakterilerin ne kadar hizalı olacağını niceliksel olarak tahmin edebilmişlerdir.

Sıvı kristallerin bükülme esnekliği, gözlemlenen tuhaf bükülmeyi nasıl açıklayabileceğini de göstermektedir. Bakteriler sıvı kristallerde büyüdüğünde, sıvı kristalin yüksek viskozitesi bir sürüklenme kuvvetine neden olur ve bu da bakterilerin tüm uzunluğu boyunca bir baskı oluşturur.

Normal bir çelik kirişte olduğu gibi, burada da zincir kendisini sıkıştırır: Her hücre bölündüğü için zincir uzar ve bu da sürüklenme kuvvetini artırır. Sonunda, baskı o kadar güçlü hale gelir ki bir şeylerin değişmesi gerekir.

Ancak sıvı kristal molekülleri de hizasından çıkmak istemezler. Normal bükülmede, bakterilerin tüm zincirindeki moleküller hizasından çıkar ve tüm uzunluğu boyunca hafifçe eğilir. Bükülmenin daha yerel olması durumunda, moleküller çok fazla eğilir ancak sadece küçük bir bölgede.

Araştırmacılar, konfokal mikroskopi kullanarak bakterilerin zincirlerinin birden çok kez büküldüğünü ve bu da sıkı kıvrımlara neden olduğunu gözlemlediler. Bükülmüş zincirler sonunda karmaşık bir ağ oluşturdu.

“Bakterilerin uzaysal düzeninin biyolojik fonksiyonlarını etkilediğini biliyoruz – birbirleriyle nasıl iletişim kurdukları, besinlere nasıl ulaştıkları ve antibiyotiklere karşı nasıl direnç gösterdikleri. Bu nedenle, bir koloninin morfolojisini neyin belirlediğini anlamak önemlidir,” diyor Datta.

Bu gözlemlenen ve modellenen mikrobiyal davranışların biyolojik etkileri henüz bilinmemektedir. Ancak şimdi bu tür büyüme hakkında bilgi sahibi olduklarına göre, araştırmacılar daha birçok test edilebilir soru sorabilirler, örneğin tek hücreli zincirlerin bakterilerin küçük yarıklar aracılığıyla nasıl ilerleyebileceğini ve yoğun ortamlarda kolonize olabileceğini (örneğin, dokular veya toprak) anlamak gibi.

Model ayrıca, sensörler veya yapı malzemeleri olarak kullanılabilecek mühendislikli canlı malzemelerin geliştirilmesi için potansiyel bir yol önermektedir. Bakterileri sıvı kristal ortamlarında büyütmek, biyolojinin mikro ölçekte bir malzemenin organizasyonunu yapmasına olanak tanıyabilir, diyor Datta.

Daha geniş bir perspektifle, bu çalışma, bakterilerin genellikle karşılaştığı karmaşık ortamlardan nasıl etkilendiğinin başka bir örneğini sunmaktadır.

“Bu, bakterilerin sıklıkla karşılaşmak zorunda kaldığı çevresel karmaşıklıklardan sadece bir tanesidir ve bunun büyüme üzerinde nasıl bir etkisi olduğunu henüz bilmiyorduk,” diyor Datta. “Şimdi hem bunun büyüme üzerindeki etkisini biliyoruz, hem de bunu niceliksel olarak ve tahmin edilebilir yollarla anlayabiliyoruz.”

Sebastian Gonzalez La Corte et al, Morphogenesis of bacterial colonies in liquid crystalline environments, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2536343123

Dergi bilgisi: Proceedings of the National Academy of Sciences

Kaynak: California Institute of Technology

BSc Biyoloji ve Ekoloji. İlaç endüstrisindeki mikrobiyoloji laboratuvarı deneyimi, petrol, gaz ve yenilenebilir enerji sektörlerinde haber yazma tecrübesi. Tam profil →

Lisans derecesi matematiksel biyoloji, yüksek lisans derecesi yaratıcı yazarlık. Farklı bakış açılarına sahip, bilim ve dil konusunda deneyimli. Tam profil →