שכבות של סימביוזה - לדמיין את במעי האחורי הטרמיטים קהילה מיקרוביאלית
28 במאי 2007
ג'ארד לידבטר לוקח אותנו לטיול בטבע באמצעות מגוון של תושב החיים במעי האחורי טרמיטים - microenvironment ובו 250 זנים שונים למצוא בשום מקום אחר על פני כדור הארץ. ג'ארד מגלה כי סימביוזה הוצגו על ידי מערכת זו היא רב שכבתית והיא כרוכה לא רק היחסים בין טרמיטים ועל תושבי הבטן שלה, אלא גם כרוכה במסכת מורכבת של סימביוזה בין חיידקים במעיים עצמם.
לכן אני אומר לאנשים לפעמים שבעבורי, זה מעט כמו להיות תייר אקולוגי ב"עליסה בארץ הפלאות" מיניאטורית, כי אני פשוט מסתכל על זה וחושב שזהו טיול טבע נפלא עוד לפני שעורכים כל סוג אחר של מחקר על המערכת. ובכן, ישנן דרכים שונות לבחינת המיקרובים הללו באמצעות מיקרוסקופיה של אור. עם המיקרוסקופ הזה יש לנו את היכולת לבצע מיקרוסקופיה בשדה אפל, שבה התאים יופיעו לבנים או שיהיו מוקפים בקו לבן על רקע כהה.
ניתן לבצע מיקרוסקופיה בניגודיות פאזה (phase contrast), שבה התאים או קצוות התאים ייראו ככהים על רקע אפור. ניתן לבצע מיקרוסקופיה של אור רגילה, שבה לא רואים הרבה אלא אם הדגימה צבועה. אך בשיטה זו תקבלו את הצבע האמיתי של הדגימה.
לכן, אם הדגימה שלכם היא בירוק או באדום, תוכלו למעשה לראות זאת בתאים. יש לנו גם את היכולת לבצע שיטה הנקראת מיקרוסקופיית DIC. כלומר, ניגודיות הפרש של התאבכות (differential interference contrast), אשר בניגוד למתן ניגודיות במונחים של לבן ושחור, או כהה ואפור, היא מעניקה ניגודיות קצוות מסוג "נוף לובבי", במובן שבו כאשר מסתכלים על הירח עם משקפת הכל נראה אפור, אך ברגע שמשיגים פוקוס, מתחילים לראות את הקצוות בצורה ברורה מאוד.
כעת הגדרתי את המכשיר לבחינת הדגימה באמצעות DIC. שיטה זו מאפשרת לראות מרקמים של פני השטח של התאים ומבנים פנימיים של תאים, במידה והם גדולים ומכילים מבנים אלו, בצורה נקייה הרבה יותר. בעוד שבסוגי מיקרוסקופיה אחרים, התא כולו עשוי להיראות אפור על רקע בהיר או לבן על רקע שחור, כאן תתחילו לראות מרקמים על התא עצמו או בתוך התא עצמו.
עבור רבים מהפרוטוזואים שברשותנו, האיקריוטים הגדולים יותר, הדבר יאפשר לכם לראות לא רק מבנים פנימיים בתא, אלא אולי גם חלקיקי עץ. וכך, כעת אנו מתבוננים בשני פרוטוזואים של המעי. אלה שייכים לסוג opsis.
אלו הם פרוטואזואים מפרקי תאית. וכעת, עם זה שנמצא ממש כאן במרכז, אני יכול לכוון זאת מעט כדי להדגיש חלק מניגודיות הקצוות הזו. זה מעט מקרי. אוקיי.
הו, זה נראה נהדר. לדוגמה, זהו אחד מאותם פרוטוזואים גדולים מאוד מקבוצת ה-trichomonas והוא מתחיל להוציא שלפוחיות (blebbing). הוא מתחיל לחלות.
וזהו מה שחלק מהבועות הקטנות הללו בצד הן. ניתן להשתמש ב-DIC הזה כדי להשיג חיתוך אופטי אמיתי. לכן, אני פשוט אכנס מהפני השטח.
ניתן לראות את פני השטח הופכים לחדים. נראה כי הם מכוסים בקווים ארוכים, בחריצים ארוכים. כעת אני נכנס אל התא ועובר לצד השני.
וזה מאפשר לכם, אם תעשו זאת בחלק האחורי של התא, לראות את הגרעין. אז אני עולה, אני מסתכל על הפני השטח, כעת אני רואה את הגרעין, וכעת אני מתחיל לראות את הצד השני. מה שאני יכול לעשות הוא להשוות לניגודיות פאזה (phase contrast), וזה נראה טוב.
זהו ניגוד קצוות. הוא נראה טוב גם כן, וזהו פשוט עניין של טעם. עבור חלק מהתאים הדקים יותר, ניגוד מופע זה נראה טוב יותר.
למעשה אנו רואים כאן שני פרוטוסומות. אחת היא זו שבמרכז עם הקישוטים הקטנים הללו, והשנייה נראית כמו צרור של מקלות. הדמיя ב-DIC באמת מדגישה זאת.
ניתן לבצע מספר התאמות. זה דומה במידה מסוימת לבישול; ניתן לעשות זאת "לפי הטעם", כלומר לבחון את הדגימה ולבצע את ההתאמות כך שייבלטו בדגימה הספציפית אותן מרקמות של התאים.
זה נקבע כמעט באופן אמפירי. לכן, כעת אני פשוט אנסה למצוא מספר אובייקטים נוספים ששווה לבחון. זוהי תצפית בשדה כהה.
כעת, כאשר החומר הביולוגי מופיע כלבן בהיר על רקע שחור, אנו רואים כאן טריפה גדולה עם סטרומה של פרוטואזואון פסיסטי קטן יותר. ה-STRs מזומינים פנימה סביב, ונראים כמעט כמעין תולעים דקיקות, הנעות במהירות סביב התאים הגדולים הללו. אלו הם הפרוטואזואונים הקטנים הללו.
ישנם לא מעט מינים שונים של פרוטוזואה שניתן למצוא בסביבה זו, שהם בגדלים שונים. ישנם ה-trifa הגדולים מאוד, ה-tri opsis בגודל בינוני, ואז ישנם ה-stromas הדקים, הארוכים והדקים המכוסים בחיידקים. כך שניתן לראות חלק מה-trichy opsis וה-stromas הללו.
St stroma STRs הוא צרור מקלות. Tri opsis הוא האורגניזם הקטן והיפה הזה, עם הרפרופים הקטנים שנעים סביב התא במהירות, וה-trifa הגדול יותר. זהו tri opsis.
זהו הפרוטוזואון היחיד ממעי הטרמיטים שאי פעם תורבת ונחקר in vitro, וניתעסו כ-3 או 4 מאמרים על פרוטוזואון זה לפני כ-20 שנה. לאחר מכן התרבית אבדה, ומאז איש לא הצליח לתרבת אותו שוב. עם זאת, מחקרים על אורגניזם זה קבעו כי פרוטוזואונים אלו מבצעים תסיסה של תאית וקסילן, שהם פולימרים של פנטוזות והקסוזות בעץ, ומפיקים אצטט, מימן ו-CO2.
אני רק אבצע הגדלה קלה. כך שאתם רואים חלק מה-spikelets הללו. יש כאן תמונת DIC נחמדה של spikelet ממש שם במרכז.
ניתן לראות את הסלילים שלו. סליל סדיר ויפה. אני רואה שזה זז.
הו, זה, זה, זה עדיין חי, אבל חלק מאלה נפגעו מעט מהחמסן. ממ. מכיוון שרבים מהאורגניזמים הללו מורחלים על ידי חמסן. לעיתים מכינים תרחישי טיפה והם מצליחים, ולעיתים לא.
אבל למעשה, זהו Butte אמיתי. אני פשוט אסתכל על הפרוטוזואון הזה כאן. יש כאן שניים או שלושה מהם.
ישנם פרוטוזואים ארוכים ודקים הנראים כif הם מפוספסים. ניתן לראות זאת בבירור תחת מיקרוסקופ DIC כאשר בוחנים אותם. ואני תמיד אומר שהם פרוטוזואים פשיסטים.
ומה אני מתכוון בכך? אתם יודעים, המונח הלטיני fasis הוא המילה המתארת את צרור המקלות המופיע על גב המטבע של עשרה סנט. וזוהי המילה שמתארת למעשה גם את e pluribus unum, את העיקרון של "מתוך רבים, אחד", ואת זה אני מכנה ה-fascist protosome, מכיוון שהפרוטאוזום עצמו הוא למעשה דק ביותר.
ובמעט מאוד שבידינו לדעת על כך, מחקרים הראו כי פרוטוזואון זה מכוסה במעטפת של חיידקים דקים, חיידקים ארוכים ודקים. לכן, זהו איקריוט פרוטוזואי בצורת מקל ארוך המכוסה במעטפת של חיידקים דמויי שיער ארוכים; כאן ניתן לראות שחלק מהשיערים הללו מתחילים להתפרק מעט ולהיפרד ממנו. אך תראו רבים מכם.
ומבחינה תפקודית, אין לנו מושג מה הם עושים. כך שזו דוגמה למשהו שנחמד להסתכל עליו. זה מעורר השראה במובן זה, שזה אומר לי שיש כאן הרבה מהפרוטוזואים הללו.
ניתן לבחון את הפילוגניה של המאכסן ושל התאים. אנו יודעים מהו הפרוטוזואון ואנו יודעים מהם המינים הנצמדים אליו, אך איננו יודעים מה תפקידם של הפרוטוזואון או של חיידקים אלו.
מהי הפיזיולוגיה שלהם? מה הם אוכלים? מה הם מייצרים?
כיצד הם מקימים אינטראקציה עם המיקרובים האחרים? כיצד תוצרים אלו משפיעים על המיקרובים האחרים או על המארח? ולכן, מבחינה תפקודית, איננו יודעים היכן הם משתלבים בפאזל.
סביר להניח שכל התאים השופעים שאנו רואים כאן הם סימביוטים המעורבים במערכת יחסים הדדית. כלומר, אלו מיקרובים מועילים שבאמת תורמים משהו למערכת ו/או למארח. אך במקרה זה, השטן נמצא בפרטים.
ובפועל איננו יכולים לומר, איננו יכולים לומר בוודאות. ולמעשה, אין לי השערה ממשית לגבי מה שהאורגניזמים הללו עושים. כלומר, זה מעניין מכיוון שהפרוטוזואים הפסצ'יסטיים מכוסים בעצמם בחיידקים.
זהו תהליך של שכבות של סימביוזה על גבי סימביוזה. בעוד שניתן לראות כי חלק מהפרוטוזואים האחרים בלעו חלקיקי עץ אל תוך הציטופלזמה או אל תוך התא, במקרה זה אין עדות לכך שהם בולעים חלקיקי עץ.
אם כך, זה לא שניתן אפילו לומר שהם מפרקים עץ. אני לא יודע אם הם מפרקים עץ כלל. וייתכן יותר שהם ממיקמים את החיידקים הללו במקום כלשהו במעיים שבו החיידקים יכולים לבצע פעולה כלשהי ואולי להזין את הפרוטוזואון; אלו דוגמאות לסיםביוזה בתוך סיםביוזה.
אם נסתכל על ה-trichinella הזו, הפרוטוזוא הגדול יותר שאנו בוחנים כאן הוא סוג של trichinella מעוכה. ניתן לראות שיש לו פסים ארוכים הנש extending מהחלק הקדמי אל האחורי. אך אם נסתכל מקרוב יותר, נראה נקודות שחורות קטנות אלו לכיוון הקצה הקדמי שלו.
אלו הן גם חיידקים. ולפרוטוזואה זו יש סימביוזה חיצונית ופנימית כאחד. היא מכוסה בשכבת חיידקים על פני השטח שלה, אך היא מכילה חיידקים גם בתוך התא.
בנוסף, אין לנו הבנה לגבי הפיזיולוגיה של אותם חיידקים על פני השטח או בתוך התא. יש לנו תחושה מסוימת שפרוטוזואים אלו תוססים cellulose ו-xylan, אך איננו יודעים היכן החיידקים הללו משתלבים בתמונה. לכן, חסר לנו משהו בסיסי.
אני אוהב את המערכת מכיוון שיש בה גיוון רב והרבה פעילות, ולמדנו ממנה רבות. אך למעשה, אני חושב שאנו יודעים הרבה פחות ממה שאנו חושבים שאנו יודעים.
סקירה כללית
ג'רד לידבטר בוחן את המערכת האקולוגית הייחודית בתוך המעי האחורי של הטרמיט, המהווה בית ל-250 מינים נבדלים. מערכת יחסים סימביוטית מורכבת זו כוללת לא רק את הטרמיטים ואת המיקרובים במעיהם, אלא גם אינטראקציה מורכבת בין המיקרובים עצמם.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אקולוגיה מיקרובית
- סימביוזה
- ביולוגיה של פרוטוזואים
רקע
- המעי האחורי של הטרמיט מאכלס מגוון רחב של מיקרואורגניזמים.
- הבנת מערכות יחסים אלו יכולה לשפוך אור על אינטראקציות אקולוגיות רחבות יותר.
- טכניקות מיקרוסקופיה הן חיוניות ללימוד מיקרובים אלו.
- פרוטואזואים במעי האחורי ממלאים תפקיד קריטי בפירוק תאית.
מטרת המחקר
- לחקור את מגוון החיים במעי האחורי של הטרמיט.
- להבין את מערכות היחסים הסימביוטיות בין מיקרוביים של המעי.
- להשתמש בטכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות כדי להמחיש אורגניזמים אלו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מיקרוסקופיית שדה אפל לוויזואליזציה של תאים.
- מיקרוסקופיית ניגוד פאזה להדגשת קצוות התאים.
- מיקרוסקופיית DIC לניתוח מפורט של מרקם פני השטח.
- ניתוח השוואתי של טכניקות מיקרוסקופיות שונות.
תוצאות עיקריות
- זיהוי מינים שונים של פרוטוזואה במעי האחורי.
- תצפית על פרוטוזואה מפרקי תאית והמבנים שלהם.
- תובנות לגבי השפעות החמצן על חיות מיקרוביאלית.
- הדגמה של האינטראקציות המורכבות בין מיקרוביים של המעי.
מסקנות
- המעי האחורי של התרמית הוא מיקרו-סביבה עשירה בעלת מינים ייחודיים.
- מערכות יחסים סימביוטיות הן קריטיות להישרדותם של מיקרובים אלו.
- טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות מספקות תובנות בעלות ערך לגבי חיים מיקרוביאליים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הבנת הסימביוזה המיקרוביאלית המורכבת במעי האחורי של הטרמיט מספקת מודל להפחתת סיכונים (de-risking) של תיקוף מטרות בתהליכי גילוי תרופתי מבוסס מיקרוביום. מערכות היחסים הסימביוטיות רב-השכבתיות שנצפו מציעות תובנות לגבי תלויות תפקודיות שיכולות לחזק את הביטחון החזוי בבחירת מטרות בשלבים מוקדמים. נקודת מבט זו ברמת המערכת תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית על ידי חשיפת האופן שבו קונסורציומים מיקרוביאליים משפיעים באופן קולקטיבי על חילוף החומרים של המאכסן ועל עיבוד רכיבי תזונה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיים
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות תצפית על אינטראקציות מיקרוביאליות רב-מיניות ותלות תפקודית הדדית.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי חשיפת האופן שבו שכבות של סימביונטים תורמות לפנוטיפ של המארח ולתוצר מטבולי.
- ערך חיזוי: מסייע בתיעדוף מטרות על ידי זיהוי סימביונטים מרכזיים (keystone symbionts), שהפרעתם משפיעה על תפקוד הקהילה ועל הפנוטיפ של המארח.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מספק מערכת הרלוונטית למחלה להכנה של מודלים ביולוגיים מתוקפים המשקפים מורכבות מיקרובית טבעית.
- ערך תפעולי: נותן מענה לאתגרי סטנדרטיזציה של בדיקות על ידי הדגשת הצורך בוויזואליזציה הדירה של קהילות מיקרוביאליות מובנות.
- יכולת הרחבה: מדגיש את פוטנציאל השימוש החוזר בפלטפורמה באמצעות טכניקות מיקרוסקופיה הישימות במגוון מערכות מודלים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בהלימה של ביומרקרים תרגומיים על ידי קישור מבנה הקהילה המיקרוביאלית לפלטים מטבוליים של המארח כגון אצטט, מימן ו-CO2.
- ערך תפעולי: מתאר רצף מהשלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני, תוך הדגשת תיקוף פונקציונלי של תפקידי הסימביונטים בעיבוד רכיבי תזונה.
- החלטות מותאמות סיכון: מספק מידע להחלטות בנוגע להמשך קידום על ידי חשיפת פערים בהבנה הפונקציונלית למרות אפיון מבני.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה ממקמת את עצמה ברצף הגילוי, החל משלב הגילוי המוקדם ועד לזיהוי מובילים (Lead Identification), על ידי מתן אפשרות לבדיקת השערות לגבי אינטראקציות בין מאחס למיקרוב ובין מיקרוב למיקרוב המשפיעות על פנוטיפים מטבוליים.
- ביולוגיה של גילוי: מסביר כיצד השיטה תומכת בבדיקת השערות, הבהרת מסלולים והפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות ויזואליזציה של מיקום הסימביונטים ופוטנציאל מטבולי.
- סריקה: מתאר את המוכנות של הבדיקה על ידי הדגמה כיצד מיקרוסקופיה מאפשרת תצפיות כמותיות של מורפולוגיה מיקרוביאלית, ניידות וקשרי מבנה.
- אנליטיקה: מדגיש מדידות כגון מיקום מבני, דפוסי ניידות והקשר למצעים כמו חלקיקי עץ, המסייעות לצוותים להשוות מצבים סימביוטיים.
- מחקר תרגומי: מקשר את השיטה לרצף פרה-קליני על ידי קישור תסיסת תאית וקסילן שנצפתה למוצרי קצה מטבוליים מדידים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציג את השיטה כיכולת הניתנת לשימוש חוזר עבור ויזואליזציה של קהילות מיקרוביאליות מובנות במיקרוביומים שונים הקשורים למאכסן.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי באמצעות הפחתת סיכונים מכניסטית של הקצאות תפקודיות של מאכסן-מיקרוב.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, שחזוריות ויכולת הרחבה של ויזואליזציה של קהילה מיקרוביילית במערכות מודל שונות.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות טובה יותר לגבי המשך או הפסקת הפיתוח (go/no-go), יעילות הון והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים על ידי הבהרה מוקדמת של תפקודי הסימביונט.
- השפעה על הפורטפניו: תעדוף והחלטות קידום מותאמות לסיכון, המבוססות על תיקוף תפקודי של קונסורציומים מיקרובייליים.
שיקולי יישום
- מומחיות מדעית נדרשת במיקרוסקופיה, אקולוגיה של מיקרואורגניזמים וסימביוזה.
- צורך בתשתיות אנליטיות ובמכשור עבור מיקרוסקופיה בשדה חשוך, ניגוד מופע (phase contrast) ו-DIC.
- דרישות לסטנדרטיזציה בין צוותים עבור הכנת דגימות, פרוטוקולי דימות ואנוטציה מורפולוגית.
- שיקולי התאמה בין מערכות מודל, כולל טיפול באנאירוביים ורגישות לחמצן.
- מגבלות מעשיות כוללות את חוסר היכולת להקצות תפקוד על בסיס מורפולוגיה בלבד וקושי בגידול של סימביונטים מרכזיים.
