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SEM utiliza un haz de electrones para escanear la muestra, generando una imagen ampliada de la misma de modo que se pueden visualizar microestructuras tridimensionales en alta resolución. Dado que el SEM funciona en alto vacío, es necesario eliminar hasta más del 99% del agua de las muestras. Dentro de la cámara de vacío SEM, las muestras parcialmente hidratadas pueden deshidratarse y colapsar, además de dispersar electrones. Para la obtención de imágenes de alta resolución en SEM, la preparación de la muestra debe incluir procedimientos para eliminar el agua manteniendo los cambios en el volumen y la morfología al mínimo, así como un recubrimiento para evitar la carga durante la obtención de imágenes 55,56,57.
En primer lugar, la muestra se fija químicamente mediante la reticulación de sus proteínas y ácidos nucleicos, lo que se consigue mediante diversas técnicas. Un método ampliamente utilizado consiste en combinar glutaraldehído y formaldehído (o paraformaldehído) en un tampón, como la piperazina-1,4-bis [ácido 2-etanosulfónico] (PIPES); ácido N-[2-hidroxietil]-piperazina-N'-2-etanosulfónico (HEPES); solución salina tamponada con fosfato (PBS); o cacodilato de sodio. La fijación química fortalece la muestra, preservando su estructura para el secado. Dependiendo de su naturaleza, las muestras pueden necesitar una fijación secundaria (en tetróxido de osmio) e incluso una fijación terciaria (en acetato de uranilo). En segundo lugar, las muestras deben estar deshidratadas. Dado que el secado al aire provoca un colapso extenso de las estructuras finas, una técnica alternativa común es el secado de puntos críticos (CPD). En CPD, la muestra no se somete a tensión superficial, lo que evita que se formen artefactos. Por un lado, el agua alcanza el punto crítico a 228,5 bar y 374 °C, lo que destruiría fácilmente la muestra. Por otro lado, el punto crítico deCO2 es de 73,8 bar y 31 °C, lo que justifica su uso como fluido de transición. Al aumentar la temperatura, el CO2 se convierte en forma gaseosa y se elimina de la muestra 58,59,60,61,62,63. En tercer lugar, las muestras no conductoras deben recubrirse para evitar su carga y aumentar el rendimiento de electrones secundarios, lo que en consecuencia contribuye a la obtención de señales de imagen nítidas64.
El protocolo presentado aquí combina procedimientos para preservar muestras de base fúngica 32,33,45,65,66,67,68 y biofilms 69,70, aunque simplificando el proceso al eliminar los pasos de postfijación y reducir el tiempo de deshidratación. Sin embargo, conservó la delicada estructura del jardín, detallando aún más las interacciones físicas de la microbiota y revelando la estructura espacial de la biopelícula. El ensamblaje espacial de la microbiota es esencial tanto para establecer interacciones como para establecer sus patrones de regulación. La distribución espacial da forma a la dinámica social microbiana, de la que pueden surgir propiedades intrínsecas. Estos son necesarios para hacer frente a la variabilidad y complejidad que enfrentan los ecosistemas microbianos 71,72,73. Nuestros hallazgos refuerzan la microbiota integrando los patrones estructurales del jardín, apoyando su presunta participación en las respuestas fisiológicas 32,42,43,44. Aportamos la evidencia in situ de que las biopelículas son relevantes para las interacciones microbianas en la fungicultura de attina42,44. Las biopelículas son sistemas multicelulares complejos y heterogéneos, donde los microorganismos incrustados en una matriz de EPS autosecretada forman redes sociales. De manera cooperativa y/o antagónica, las interacciones dentro de la biopelícula determinan la apertura, ocupación y modificación de nichos 71,72,73,74. El SEM permitió una mayor comprensión de la organización espacial de la microbiota en las regiones del jardín, detallando las interacciones físicas microbiota-sustrato y microbiota-hifas, al tiempo que simplificó los métodos para futuras investigaciones en este ámbito.
La investigación sobre la microbiota del jardín está recibiendo cada vez más atención, en particular, centrándose en los procesos que podrían dar forma a la composición de estas comunidades únicas75,76, así como a su función e interacciones 42,43,44. Las interacciones entre bacterias y hongos en los cultivos podrían ayudar al hongo a solubilizar el fosfato, producir sideróforos y degradar la celulosa y la quitina. Tales interacciones, que podrían ocurrir como un continuo mutualismo-antagonismo, podrían regular el funcionamiento del jardín44. El enfoque metodológico que aquí presentamos permite echar una ojeada, in situ, a la dimensión estructural en la que podrían tener lugar las interacciones. Destaca que, como la mayoría de los ecosistemas microbianos ya estudiados, los jardines de atine están modelados, organizados heterogéneamente en el espacio5,7,8. El SEM ya proporcionó una perspectiva espacial in situ sobre la dinámica de la microbiota en diversas comunidades asociadas al huésped, como las cianoesponjas77, la piel de ballena jorobada78, los hongos66, los cnidarios79, el intestino humano80, los líquenes81, contribuyendo también a la descripción del plastisfera (un nuevo ecosistema de origen antropogénico)82. Cada uno de estos estudios, sin embargo, empleó un método escalonado ligeramente distinto para la preparación de la muestra.
Las muestras de jardín son muy delicadas y heterogéneas, con hifas fúngicas que se consideran adaptadas para no perder agua26, además de un conjunto diverso de sustratos incorporados24, la microbiota y su biofilm. Sin embargo, el protocolo de preparación de muestras que adaptamos conservó la mayoría de estas estructuras y nos permitió ampliar la caracterización de la estructura espacial de la microbiota. Consideramos que la fijación con la solución de Karnovsky es el paso crítico en el protocolo, ya que el aspecto tridimensional de una muestra tan delicada puede colapsar y/o aplanarse en este punto. Las muestras complejas a base de hongos generalmente se preparan para SEM mediante fijación con glutaraldehído y posfijación con OsO4 65,66,67,68. Sin embargo, se ha informado que la combinación de aldehídos (paraformaldehído y glutaraldehído) mejora la preservación de la biopelícula para SEM69,70. Los métodos para preservar las biopelículas también pueden incluir un 0,15 % de azul alcián o un 0,15 % de rojo rutenio en el fijador inicial de Karnovsky, así como un 1 % de ácido tánico en un 1 % de osmio para la posfijación. La fijación de jardines y residuos de attine con Karnovsky's y la fijación posterior con OsO4 preservaron bacterias en muestras de jardines viejos y desechos, aunque no evidencien la biopelícula32. Dado que nuestras muestras tenían la estructura de jardín, la microbiota y las biopelículas preservadas sin el paso de postfijación de osmio empleado en los protocolos anteriores 32,33,69,70, preferimos simplificar el protocolo eliminando este paso. El OsO4 es un agente oxidante utilizado para la fijación (especialmente) de los componentes celulares lipídicos83. Al ser altamente corrosivo, el OsO4 puede causar quemaduras graves al entrar en contacto con la piel y las mucosas, además de dañar el tracto respiratorio o gastrointestinal cuando se inhala o ingiere84,85. Al eliminar la post-fijación de OsO4, el protocolo reduce el número de regentes tóxicos a manipular.
También sugerimos la serie de lavado con etanol en lugar de usar acetona, que puede ser demasiado dura para muestras delicadas86. La serie de lavado de etanol con pasos de 10 minutos de duración también simplifica los antiguos protocolos SEM45 sin obstaculizar la resolución de la imagen. Además, verificamos empíricamente que los pasos adicionales de pulverización catódica produjeron imágenes de mayor calidad, lo que fue consistente para muestras de jardín de todas las especies que probamos. Es posible que estos pasos adicionales recubrieran las muestras de manera más uniforme, ya que la dispersión de electrones era mucho más frecuente en las muestras recubiertas solo una vez (Figura 4A). Por lo tanto, alentamos el trabajo futuro probando aditivos y condiciones que podrían dar lugar a un protocolo mejorado para la visualización de biopelículas en muestras de jardín.
El SEM es una potente herramienta para detallar la morfología celular de la microbiota y la disposición espacial de la EPS en las superficies, revelando la topografía y la textura de las muestras de jardín en alta resolución y aumento70,87. Sin embargo, no proporciona discriminación taxonómica para los miembros de la comunidad y, en consecuencia, no tenemos una distinción de quién está dónde. Además, a pesar de la gran profundidad focal de SEM, no informa sobre las características tridimensionales de la muestra. Para una descripción completa del jardín microbiano de atine, incluida la biogeografía taxonómica y la resolución espacial tridimensional, el análisis SEM podría considerarse un primer procedimiento en las técnicas de imagen escalonadas para muestras de jardín. Para la resolución taxonómica, el SEM podría combinarse con la hibridación fluorescente in situ (FISH)88,89 y sus variantes, como el FISH de alta resolución filogenética (HiPR-FISH)90, el marcaje combinatorio y la imagen espectral FISH (CLASI-FISH)9,91 y las proyecciones 3D92. El análisis de la microestructura tridimensional podría detallarse aún más mediante microtomografía de rayos X (μCT de rayos X)93. Hasta ahora, el SEM nos ha permitido observar en detalle la organización espacial de la microbiota alrededor de las hifas y en la superficie del sustrato, surcos y hendiduras. Este tipo de patrones microbianos está ampliando nuestro conocimiento de las interacciones microbianas putativas en los jardines de atiña. Creemos que los pasos de preparación que presentamos podrían aplicarse ampliamente para refinar los estudios sobre la organización espacial microbiana en otros ecosistemas microbianos delicados.