Studium der bakteriellen Chemotaxis Mit Mikrofluidik - Interview

Mein Name ist Roman Stocker. Ich bin im zweiten Jahr Assistenzprofessor am Ralph Parsons Laboratory, das Teil des Department of Civil and Environmental Engineering hier am MIT ist. Ich komme ursprünglich aus Italien und habe Strömungsmechanik studiert.

Mein Hintergrund liegt also eher in den Naturwissenschaften, aber in den letzten zwei Jahren, eigentlich drei Jahren, habe ich mich mehr mit Umwelt- und biologischen Themen beschäftigt. Vor zwei Jahren habe ich begonnen, Mikrofluidik zu entwickeln, um Probleme in der mikrobiellen Ökologie zu untersuchen, und mit diesen Mikrogeräten sind wir in der Lage, typische ökologische Fragen für Dinge im Mikrometerbereich zu entwickeln. Unsere Arbeit befasst sich in erster Linie mit allen Organismen, also solchen, die im Ozean herumschwimmen und ihre Nahrungsquellen verfolgen können.

Insbesondere Bakterien haben sehr clevere Schwimmmethoden entwickelt, und ich habe hier eine kleine Demonstration. Der Bakterienkopf ist so ziemlich ein Ellipsoid. Sie stellen sich vor, dass dies etwa zwei Mikrometer groß ist.

Auf der Rückseite des Bakteriums befinden sich eine oder mehrere Geißeln. Diese Geißeln sind spiralförmige Strukturen, die das Bakterium rotieren kann. Dieser Rotationsprofi erzeugt Vertrauen, das es dem Bakterium ermöglicht, tatsächlich vorwärts zu schwimmen.

Es gibt verschiedene Modi, in denen Bakterien das tatsächlich tun, und es gibt verschiedene Strategien des Schwimmens, und es ist Teil dessen, womit sich unsere Forschung beschäftigt. Der Grund, warum Bakterien im Ozean schwimmen, ist, dass sie Nährstoffquellen besser nutzen können, und das ist Teil eines Paradigmenwechsels, der in den letzten 15 oder 20 Jahren stattgefunden hat. Davor dachten die Menschen, dass der Ozean eine homogene Suppe von Nährstoffen auf Skalen von Metern und bis zu Dutzenden von Metern ist, und in diesem Bild des Ozeans wurde diesen kleinmaßstäblichen Organismen wie Bakterien beigebracht, keine wesentliche Rolle zu spielen, und sie wurden wirklich nur passiv durch das ozeanische Vorkommen vektorisiert.

Aber vor 10 oder 15 Jahren haben die Menschen erkannt, dass das wirklich nicht das ist, was im Ozean vor sich geht, und dass diese kleinen Organismen tatsächlich zu den wichtigsten Akteuren gehören, wenn es darum geht, die Gesundheit der Ozeane und damit sogar Dinge wie unser globales Klima zu bestimmen. Dies ist aus zwei Gründen so. Der erste Grund ist, dass sie überall im Ozean vorkommen und ihre kumulative Biomasse die aller anderen Meeresorganismen bei weitem übersteigt.

Der zweite und vielleicht grundlegendste Grund ist, dass diese kleinräumigen Organismen durch die Nutzung von Nährstoffquellen und insbesondere Kohlenstoff die Nährstoffe für andere Komponenten des Nahrungsnetzes recyceln können und somit andere Aspekte und andere Teile der trophischen Kette im Ozean erheblich intensivieren. Bei all dem konzentriert sich unsere Arbeit vor allem auf die Wechselwirkung zwischen schwimmenden Organismen und Nährstoffflecken. Bakterien können nicht nur schwimmen, sondern auch Nährstoffgradienten wahrnehmen.

Das heißt, sie sind in der Lage zu erkennen, wann das Leben besser wird, und schwimmen Gradienten von Nährstoffen hinauf. Sie tun dies in einem Prozess, der als Chemotaxis bekannt ist. Richtig. Chemo Taxes ist die Fähigkeit, einen chemischen Gradienten zu spüren und ihn zu durchschwimmen.

Das ist wirklich das, was wir im Labor untersuchen, und die Mikrofluidik ist ein Werkzeug, das es uns ermöglicht, die chemotaktischen und schwimmenden Fähigkeiten von Bakterien zu untersuchen und daher ihre Rolle zu extrapolieren und zu skalieren, um zu bestimmen, wie wichtig sie für die Gesundheit des Ozeans sind. In den letzten anderthalb Jahren haben wir Mikrogeräte installiert, die es uns ermöglichen, Bakterien verschiedenen Bedingungen auszusetzen, die man normalerweise im Meer findet. Wie ich bereits sagte, typische Nährstoffflecken, aber auch zum Beispiel Turbulenzen.

Was wir bisher herausgefunden haben, ist, dass sich marine Bakterien anscheinend sehr effizient angepasst haben, um diese Nährstoffflecken zu verwerten und in der Lage zu sein, durch Schwimmen einer Vielzahl von Turbulenzbedingungen im Ozean entgegenzuwirken, die sie sehr gut geeignet machen würden, tatsächlich in einem Ozean zu überleben, der aus ihrer Sicht typischerweise eine Wüste von Nährstoffen ist und in dem Nährstoffe nur in verstreuten und vereinzelten Mengen vorkommen. sehr seltene Flecken in einer dreidimensionalen Wassersäule, und gleichzeitig in der Lage zu sein, zu schwimmen, Turbulenzen zu bekämpfen und daher auch dann noch in der Lage zu sein, ihre Nährstoffe zu verfolgen, wenn sich das Wasser um sie herum heftig bewegt. Die Erdsysteminitiative ist eine sehr interessante Initiative, die eine Vielzahl von Menschen aus verschiedenen Disziplinen zusammenbringt, die alle daran interessiert sind, besser zu verstehen, wie unser Planet tatsächlich funktioniert. Kurz gesagt, das Ziel der Erdsysteminitiative ist es, das Gleiche für den Planeten zu tun, wie wir es bereits tun und schon seit langem tun.

Für den menschlichen Körper, der seine Gesundheit versteht, ist es heutzutage besonders wichtig, die Gesundheit des Planeten zu verstehen, da beispielsweise die globale Erwärmung und die Treibhausgase besorgt sind, und mehrere der Bemühungen im Rahmen der Erdsysteminitiative zielen darauf ab, die Gesundheit des Planeten besser zu verstehen. Unsere Arbeit fügt sich in diese ein, indem wir eine Komponente des Kohlenstoffkreislaufs im Ozean betrachten. Wir versuchen insbesondere zu verstehen, wie kleinräumige Organismen, wie ich bereits erwähnt habe, insbesondere schwimmende Bakterien, diese großräumigen Kreisläufe beeinflussen können, was Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf im Ozean und damit auf den globalen Kohlenstoffkreislauf weltweit, einschließlich der Atmosphäre, hat.

Alle unsere bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet wurden durch einen wichtigen technologischen Fortschritt ermöglicht und tatsächlich ausgelöst, und das ist die Mikrofluidik. In den letzten 10 Jahren hat sich die Mikrofluidik zu einem wirklich interessanten und coolen Werkzeug entwickelt, insbesondere in der Gegend von Boston Cambridge. Der Begründer der Mikrofluidik-Technologie in ihrer heutigen Form ist Professor George Whitesides in Harvard, der das Verfahren der weichen Lithographie und die Verwendung von PDMS für die Herstellung von Mikrogeräten einführte.

Seitdem hat die Anwendung der Mikrofluidik in einer ganzen Reihe von Bereichen exponentiell zugenommen. Von der Chemietechnik bis hin zu den Gesundheitswissenschaften haben wir begonnen, es auf die mikrobielle Ökologie anzuwenden und einige dieser kleinräumigen Probleme im Ozean in Bezug auf das Schwimmen von Mikroorganismen anzugehen. Kurz gesagt, es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, diese Prozesse direkt im Ozean zu untersuchen, aufgrund ihrer kleinen Skalen und wegen der Variabilität, die der Ozean notwendigerweise aufweist, sind wir immer noch nicht in der Lage, Bakterien, die etwa einen Mikrometer groß sind, direkt in situ im Ozean sichtbar zu machen, und gleichzeitig, Man hat versucht, diese Prozesse zu modellieren, zum Beispiel numerisch oder theoretisch, aber da es sich um Biologie handelt, muss man sich notwendigerweise auf Annahmen verlassen.

Zum Beispiel müssen Sie Annahmen über die Schwimmstrategie eines Bakteriums oder die Chemotaxi-Strategie eines Bakteriums treffen, und daher sind echte Experimente erforderlich, um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen. Die Mikrofluidik ermöglicht es uns, kleine Regionen, kleine Teile des Ozeans ins Labor zu bringen und gleichzeitig Bakterien und Mikroorganismen Umweltbedingungen auszusetzen, die sowohl in Bezug auf die Nährstoffe als auch in Bezug auf die Strömungen realistisch sind. Gleichzeitig können wir durch den Einsatz von Videomikroskopie und Zellverfolgung das Verhalten einzelner Bakterien auf sehr sorgfältig kontrollierte Weise untersuchen, was es uns ermöglicht, in diesen Fragen Fortschritte zu erzielen, die vor etwa 10 Jahren nicht möglich gewesen wären, und all das ist auf den technologischen Fortschritt zurückzuführen. insbesondere Mikro-Urteile.

Es gibt zwei Hauptherausforderungen, die ich in diesem Bereich vor uns sehe. Die erste ist, wie ich bereits erwähnt habe, irgendwann in der Lage zu sein, diese Fragen auf den Ozean zu übertragen. Der Grund, warum man letztendlich zum Ozean gehen muss, ist, um die gesamte Variabilität zu erfassen, die diesen Prozessen innewohnt.

Zum Beispiel haben wir immer noch keine Ahnung, was wirklich aus einem sich absetzenden Partikel austritt, welche Art von Nährstoffen vorhanden sind und auf welche Art von chemischen Verbindungen Bakterien im Labor chemogesteuert werden. Wir können nur die einfachsten dieser Bedingungen untersuchen, aber was wirklich im Ozean passiert, ist eine Ansammlung komplizierter und sehr variabler Prozesse, die wir letztendlich direkt in C zwei untersuchen müssen. Dies ist eine große Herausforderung aus der Sicht der Probenahme, aus der Sicht der Bildgebung und aus der Sicht der chemischen und biologischen Analyse auf Skalen, die, wie ich einige Male erwähnt habe, nur in der Größenordnung von wenigen Mikrometern und in Bezug auf das Volumen von Pikolitern liegen.

Die zweite Herausforderung, die meiner Meinung nach leichter zu bewältigen ist, ist die Visualisierung von Verhalten in drei Dimensionen. Alles, was wir derzeit im Labor tun, ist zweidimensional. Wir verwenden konventionelle Mikroskopie, um Flugbahnen und Ansammlungen von Mikroorganismen zu visualisieren, aber wir haben große Hoffnungen in eine Technik, die als digitale Holografie bekannt ist, die uns in einem Zeitrahmen von vielleicht drei bis fünf Jahren die Möglichkeit gibt, diese Dinge in drei Dimensionen zu verfolgen und daher schicksalhafter und realistischer, realistischer in der Lage zu sein, die Ökologie in den nächsten fünf Jahren zu erfassen.

Neben dem Versuch, bei der Probenahme dreidimensional zu sein und vielleicht die ersten, ersten naiven Schritte zu machen, möglicherweise in Richtung der Probenahme von Dingen im Ozean, wollen wir diese Studien auf jeden Fall mit den laufenden Bemühungen verknüpfen, die Genomik dieser Organismen zu verstehen. Insbesondere im Rahmen der Erdsysteminitiative gibt es einen großen Schub für das Verständnis der genetischen Zusammensetzung und der Variabilität in Bezug auf die Genetik dieser Bakterien da draußen im Feld. Gleichzeitig fehlt der Genomik die Fähigkeit, die Ergebnisse direkt mit dem Verhalten der Organismen zu verknüpfen, und das ist es, was wir uns von der Mikrofluidik und diesen eher verhaltensbezogenen, klassischen ökologischen Studien erhoffen

Wir haben ein großartiges Setup und ein großartiges Team von Leuten, die sich mit der Genomik von Meeresbakterien befassen, und durch die Zusammenarbeit mit ihnen hoffen wir, diese beiden grundlegenden Fragen miteinander verknüpfen zu können, um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, welche Bakterien es da draußen im Ozean gibt und welche Rolle sie bei der Bestimmung der Gesundheit des Ozeans und des Planeten spielen.