Studium der bakteriellen Chemotaxis Mit Mikrofluidik - Interview

Mein Name ist Roman Stocker. Ich bin wissenschaftlicher Assistent im zweiten Jahr im Ralph Parsons Laboratory, das zum Department für Bau- und Umwelttechnik am MIT gehört. Ursprünglich stamme ich aus Italien und habe Strömungsmechanik studiert.

Mein Hintergrund liegt daher stärker in den Naturwissenschaften, aber in den letzten zwei, eigentlich drei Jahren habe ich mich zunehmend mit umwelt- und biologischen Themen beschäftigt. Vor zwei Jahren begann ich, Mikrofluidiksysteme zu entwickeln, um Probleme in der mikrobiellen Ökologie zu untersuchen. Mithilfe dieser mikroskaligen Geräte können wir typische ökologische Fragestellungen auf der Größenordnung von Mikrometern untersuchen. Unsere Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf mikroskopisch kleine Organismen, die im Ozean schwimmen und ihre Nahrungsquellen aufspüren können.

Insbesondere haben Bakterien äußerst geschickte Fortbewegungsarten entwickelt, und ich habe hier eine kleine Demonstration. Der bakterielle Kopf ist im Wesentlichen ein Ellipsoid. Stellen Sie sich vor, er wäre etwa zwei Mikrometer groß.

An der Hinterseite des Bakteriums befindet sich eine oder mehrere Geißeln. Diese Geißeln sind helikale Strukturen, die das Bakterium rotieren kann. Diese Rotation erzeugt einen Schub, der es dem Bakterium ermöglicht, sich vorwärts zu bewegen.

Es gibt verschiedene Modi, mit denen Bakterien dies tatsächlich tun, und es existieren unterschiedliche Schwimmstrategien, die Teil dessen sind, was unsere Forschung betrifft. Der Grund, warum Bakterien im Ozean schwimmen, liegt darin, Nahrungsquellen effizienter nutzen zu können, was Teil einer Paradigmenverschiebung ist, die sich in den letzten 15 bis 20 Jahren ereignet hat. Zuvor ging man davon aus, dass der Ozean auf Skalen von Metern bis hin zu mehreren zehn Metern eine homogene Nährstoffsuppe darstelle, und in diesem Bild des Ozeans wurde angenommen, dass kleinräumige Organismen wie Bakterien keine wesentliche Rolle spielen und lediglich passiv durch ozeanische Strömungen transportiert würden.

Doch vor 10 oder 15 Jahren erkannte man, dass dies tatsächlich nicht dem entspricht, was im Ozean vor sich geht, und dass gerade diese mikroskopisch kleinen Organismen zu den wichtigsten Akteuren bei der Bestimmung der Gesundheit des Ozeans und damit sogar bei Phänomenen wie unserem globalen Klima gehören. Dies liegt aus zwei Gründen so. Der erste Grund ist, dass sie überall im Ozean vorkommen und dass ihre kumulierte Biomasse die aller anderen Meeresorganismen bei weitem übersteigt.

Der zweite Grund, und möglicherweise der fundamentalere, ist, dass diese mikroskaligen Organismen durch die Nutzung von Nährstoffquellen – insbesondere Kohlenstoff – die Nährstoffe für andere Bestandteile des Nahrungsnetzes recyceln können und dadurch wesentlich andere Aspekte und Teile der trophischen Kette im Ozean verstärken. In all dem konzentriert sich unsere Arbeit hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen schwimmenden Organismen und Nährstoffinseln. Bakterien können nicht nur schwimmen, sondern sie sind auch in der Lage, Nährstoffgradienten wahrzunehmen und zu detektieren.

Das heißt, sie können wahrnehmen, wann sich die Lebensbedingungen verbessern, und entlang von Nährstoffgradienten schwimmen. Dies tun sie mittels eines Vorgangs, der als Chemotaxis bezeichnet wird. Chemotaxis ist die Fähigkeit, einen chemischen Gradienten wahrzunehmen und sich gezielt darauf zuzubewegen.

Das ist es wirklich, was wir im Labor untersuchen, und die Mikrofluidik ist ein Werkzeug, das es uns ermöglicht, die chemotaktischen und Schwimmfähigkeiten von Bakterien zu untersuchen und dadurch ihre Rolle hochzurechnen und zu vergrößern, um festzustellen, wie wichtig sie für die Bestimmung der Gesundheit des Ozeans sind. In den letzten eineinhalb Jahren haben wir Mikrogeräte eingerichtet, die es uns ermöglichen, Bakterien verschiedenen Bedingungen auszusetzen, wie man sie typischerweise im Ozean vorfindet. Wie bereits erwähnt, typische Nährstoffinseln, aber auch beispielsweise Turbulenz.

Was wir bisher herausgefunden haben, ist, dass marine Bakterien anscheinend sehr effizient angepasst sind, um diese Nährstoffinseln zu nutzen, und dass sie in der Lage sind, durch Schwimmen einer Vielzahl von Turbulenzbedingungen im Ozean entgegenzuwirken, wodurch sie besonders gut dafür geeignet sind, in einem Ozean zu überleben, der aus ihrer Sicht typischerweise eine Nährstoffwüste darstellt und in dem Nährstoffe nur in verstreuten und sehr seltenen Bereichen in einer dreidimensionalen Wassersäule vorkommen, und gleichzeitig in der Lage sind, zu schwimmen, Turbulenzen zu überwinden und dadurch weiterhin ihre nahrhaften Nährstoffquellen verfolgen können, selbst wenn sich das umgebende Wasser heftig bewegt. Die Earth System Initiative ist eine sehr interessante Initiative, die Menschen aus verschiedenen Disziplinen zusammenbringt, die alle daran interessiert sind, das Funktionieren unseres Planeten besser zu verstehen. Kurz gesagt, zielt die Earth System Initiative darauf ab, für den Planeten dasselbe zu erreichen, was wir bereits seit langem für andere Systeme tun.

Für den menschlichen Körper, der bestrebt ist, seine Gesundheit zu verstehen, ist das Verständnis der Gesundheit des Planeten heutzutage besonders wichtig, bedingt durch Bedenken hinsichtlich der globalen Erwärmung, beispielsweise, sowie Treibhausgase; mehrere der Initiativen innerhalb des Earth System Initiative zielen darauf ab, die Gesundheit des Planeten besser zu erfassen. Unsere Arbeit fügt sich hier ein, indem wir eine Komponente des Kohlenstoffkreislaufs im Ozean untersuchen. Insbesondere versuchen wir zu verstehen, wie kleinräumige Organismen, wie ich bereits erwähnte, insbesondere schwimmende Bakterien, diese großräumigen Zyklen beeinflussen können, was Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf im Ozean und damit auf den weltweiten globalen Kohlenstoffkreislauf, einschließlich der Atmosphäre, hat.

Alle unsere bisherigen Arbeiten in diesem Bereich wurden ermöglicht – und tatsächlich ausgelöst – durch einen entscheidenden technologischen Fortschritt, nämlich die Mikrofluidik. In den letzten 10 Jahren hat sich die Mikrofluidik insbesondere im Raum Boston und Cambridge zu einem äußerst interessanten und innovativen Werkzeug entwickelt. Der Begründer der Mikrofluidik in ihrer heutigen Form ist Professor George Whitesides von der Harvard-Universität, der das Verfahren der weichen Lithografie sowie die Verwendung von PDMS zur Herstellung mikrofluidischer Geräte eingeführt hat.

Seitdem hat die Anwendung der Mikrofluidik in einer Vielzahl von Bereichen exponentiell zugenommen. Von der Verfahrenstechnik bis zu den Gesundheitswissenschaften haben wir begonnen, sie in der mikrobiellen Ökologie einzusetzen, um einige dieser kleinräumigen Probleme im Ozean im Zusammenhang mit der Fortbewegung von Mikroorganismen zu untersuchen. Kurz gesagt, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, diese Prozesse direkt im Ozean zu untersuchen, aufgrund ihrer geringen Skalierung und der inhärenten Variabilität des Ozeans. Wir sind nach wie vor nicht in der Lage, Bakterien, die etwa einen Mikrometer groß sind, direkt in situ im Ozean sichtbar zu machen. Gleichzeitig haben es Forscher versucht, diese Prozesse beispielsweise numerisch oder theoretisch zu modellieren, aber da es sich hier um Biologie handelt, ist man zwangsläufig auf Annahmen angewiesen.

Beispielsweise müssen Sie Annahmen über die Schwimmstrategie einer Bakterie oder die Chemotaxis-Strategie eines Bakteriums treffen, weshalb echte Experimente notwendig sind, um in diesem Forschungsbereich Fortschritte zu erzielen. Die Mikrofluidik ermöglicht es uns, kleine Bereiche, kleine Teile des Ozeans, ins Labor zu übertragen und gleichzeitig Bakterien und Mikroorganismen Umweltbedingungen auszusetzen, die sowohl hinsichtlich der Nährstoffe als auch hinsichtlich der Strömungen realistisch sind. Gleichzeitig können wir mithilfe der Videomikroskopie und Zellverfolgung das Verhalten einzelner Bakterien äußerst präzise kontrolliert untersuchen, was es uns erlaubt, bei diesen Fragestellungen Fortschritte zu erzielen, wie sie vor etwa 10 Jahren noch nicht möglich gewesen wären. All dies ist auf technologische Fortschritte zurückzuführen, insbesondere auf Mikrofluidik.

Es gibt zwei Hauptprobleme, die meiner Ansicht nach in diesem Bereich vor uns liegen. Das erste, wie ich bereits erwähnt habe, besteht darin, irgendwann in der Lage zu sein, diese Fragen in den Ozean zu tragen. Der Grund, warum man letztlich zum Ozean gehen muss, liegt darin, die gesamte inhärente Variabilität dieser Prozesse zu erfassen.

Beispielsweise wissen wir nach wie vor nicht, was tatsächlich aus einem sich absetzenden Partikel austritt, welche Art von Nährstoffen vorhanden sind oder auf welche Art von chemischen Verbindungen Bakterien im Labor chemotaktisch reagieren. Wir können nur die einfachsten dieser Bedingungen untersuchen, doch was tatsächlich im Ozean geschieht, ist eine Ansammlung komplexer und äußerst variabler Prozesse, die wir letztendlich direkt in C zwei erforschen müssen. Dies stellt eine große Herausforderung dar, sowohl hinsichtlich der Probenahme als auch der Bildgebung sowie der Durchführung chemischer und biologischer Analysen auf Skalen, die – wie ich bereits mehrfach erwähnt habe – nur in der Größenordnung von wenigen Mikrometern liegen und bei denen die Volumina im Pikoliterbereich liegen.

Die zweite Herausforderung, die ich als leichter zu bewältigen erachte, ist die Visualisierung von Verhalten in drei Dimensionen. Alles, was wir derzeit im Labor tun, ist zweidimensional. Wir verwenden herkömmliche Mikroskopie, um Trajektorien und die Ansammlung von Mikroorganismen sichtbar zu machen, aber wir setzen große Hoffnungen in eine Technik namens digitale Holographie, die uns innerhalb eines Zeitraums von möglicherweise drei bis fünf Jahren ermöglichen könnte, diese Vorgänge in drei Dimensionen zu verfolgen und somit die Ökologie in den nächsten fünf Jahren zutreffender und realistischer erfassen zu können.

Neben dem Versuch, die Probenahme dreidimensional zu gestalten, und möglicherweise die ersten, anfänglichen Schritte in Richtung der Probennahme im Ozean zu unternehmen, möchten wir diese Studien auf jeden Fall mit laufenden Bemühungen verknüpfen, die Genomik dieser Organismen zu verstehen. Insbesondere im Rahmen der Earth-System-Initiative gibt es eine starke Initiative, die genetische Zusammensetzung und Variabilität dieser Bakterien im Feld genetisch zu erfassen. Gleichzeitig fehlt der Genomik jedoch die Fähigkeit, die Ergebnisse direkt mit dem Verhalten der Organismen zu verknüpfen, und genau das hoffen wir, durch Mikrofluidik und diese eher verhaltensbezogenen, klassisch-ökologischen Studien beitragen zu können.

Wir verfügen über eine hervorragende Infrastruktur und ein großartiges Team, das sich mit der Genomik mariner Bakterien beschäftigt, und durch die Zusammenarbeit mit ihnen hoffen wir, diese beiden grundlegenden Fragen verbinden zu können, um ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, welche Bakterien in den Ozeanen vorkommen und welche Rolle sie bei der Bestimmung der Gesundheit der Ozeane und der Gesundheit des Planeten spielen.