Gli studi di chemiotassi batterica Utilizzando Microfluidica - Intervista

Mi chiamo Roman Stocker. Sono al secondo anno di assistente professore presso il Ralph Parsons Laboratory, che fa parte del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale qui al MIT. Sono originario dell'Italia e ho studiato meccanica dei fluidi.

Il mio background è quindi più nelle scienze fisiche, ma negli ultimi due anni, tre anni in realtà, mi sono spostato maggiormente su argomenti ambientali e biologici. Due anni fa, ho iniziato a sviluppare la microfluidica per esaminare i problemi dell'ecologia microbica e, utilizzando questi micro dispositivi, siamo in grado di sviluppare domande ecologiche tipiche per cose su scale di micron. Il nostro lavoro riguarda principalmente gli organismi viventi, quelli che possono nuotare nell'oceano e rintracciare le loro fonti di cibo.

In particolare, i batteri hanno sviluppato modi molto intelligenti di nuotare, e ne ho una piccola dimostrazione qui. La testa batterica è praticamente un ellissoide. Immaginate che questo abbia una dimensione di circa due micron.

Nella parte posteriore del batterio ci sono uno o più flagelli. Questi flagelli sono strutture elicoidali, che il batterio può marcire ruotare. Questo professionista della rotazione produce fiducia che consente al batterio di nuotare in avanti.

Ci sono diversi modi in cui i batteri lo fanno effettivamente, e ci sono diverse strategie di nuoto e fa parte di ciò di cui si occupa la nostra ricerca. Il motivo per cui i batteri nuotano nell'oceano è essere in grado di sfruttare meglio le fonti di nutrienti, e questo fa parte di un cambiamento di paradigma che si è verificato negli ultimi 15 o 20 anni. Prima di allora, la gente pensava che l'oceano fosse una zuppa omogenea di sostanze nutritive su scale di metri e fino a decine di metri, e in quell'immagine dell'oceano, a questi organismi su piccola scala come i batteri è stato insegnato a non svolgere alcun ruolo sostanziale e sono stati in realtà solo vettorizzati passivamente dall'evento oceanico.

Ma 10 o 15 anni fa, le persone si sono rese conto che non è quello che sta succedendo nell'oceano e che in realtà questi organismi su piccola scala sono tra i più importanti attori nel determinare la salute dell'oceano e quindi anche cose come il nostro clima globale. Questo è così per due motivi. La prima ragione è che si trovano ovunque nell'oceano e la loro biomassa cumulativa supera di gran lunga quella di tutti gli altri organismi marini.

La seconda ragione, e forse la più fondamentale, è che questi organismi su piccola scala, utilizzando fonti di nutrienti e in particolare il carbonio, possono riciclare i nutrienti per altri componenti della rete alimentare e quindi intensificare sostanzialmente altri aspetti e altre parti della catena trofica nell'oceano. In tutto questo, il nostro lavoro si concentra principalmente sull'interazione tra organismi che nuotano e macchie di nutrienti. I batteri non solo sono in grado di nuotare, ma sono anche in grado di rilevare i gradienti di nutrienti.

Cioè, sono in grado di dire quando la vita sta migliorando e nuotare su gradienti di nutrienti. Lo fanno in un processo noto come chemiotassi. Appropriatamente. Le tasse della chemio sono la capacità di percepire un gradiente chimico e nuotare verso di esso.

Questo è davvero ciò che studiamo in laboratorio e la microfluidica è uno strumento che ci permette di sondare le capacità chemiotattiche e di nuoto dei batteri e quindi estrapolare e scalare il loro ruolo per determinare quanto siano importanti nel determinare la salute dell'oceano. Nell'ultimo anno e mezzo, abbiamo installato micro dispositivi che ci consentono di esporre i batteri a diversi tipi di condizioni che si trovano tipicamente nell'oceano. Come ho detto prima, le tipiche chiazze nutritive, ma anche, ad esempio, la turbolenza.

Quello che abbiamo scoperto finora è che i batteri marini sembrano essersi adattati in modo molto efficiente per sfruttare questi cerotti di nutrienti e per essere in grado di contrastare, nuotando, una grande varietà di condizioni di turbolenza nell'oceano che li renderebbero molto adatti a sopravvivere effettivamente in un oceano, che è tipicamente un deserto di nutrienti dal loro punto di vista e in cui i nutrienti si trovano solo in modo sparso e chiazze molto rare in una colonna d'acqua tridimensionale, e allo stesso tempo essere in grado di nuotare, combattere le turbolenze e quindi essere ancora in grado di tracciare i loro alimenti nutrienti anche quando l'acqua intorno a loro si muove violentemente. L'iniziativa del sistema Terra è un'iniziativa molto interessante e che riunisce una varietà di persone di diverse discipline, tutte interessate a capire meglio come funziona effettivamente il nostro pianeta. Insomma, l'obiettivo dell'iniziativa del sistema terra è quello di provare a fare per il pianeta la stessa cosa che stiamo già facendo e che stiamo facendo da molto tempo.

Per il corpo umano che sta comprendendo la propria salute, comprendere la salute del pianeta in questi giorni è particolarmente importante a causa delle preoccupazioni per il riscaldamento globale, ad esempio, e i gas serra e molti degli sforzi nell'ambito dell'iniziativa del sistema terrestre sono orientati a comprendere meglio la salute del pianeta. Il nostro lavoro si inserisce in questo osservando una componente del ciclo del carbonio nell'oceano. Cerchiamo di capire in particolare come gli organismi su piccola scala, come ho accennato prima, in particolare i batteri nuotatori, possano influenzare questi cicli su larga scala, il che ha ripercussioni sul ciclo globale del carbonio negli oceani e quindi sul ciclo globale del carbonio a livello mondiale, compresa l'atmosfera.

Tutto il nostro lavoro finora in questo campo è stato permesso e in realtà innescato da un progresso tecnologico chiave, e cioè la microfluidica. Negli ultimi 10 anni, la microfluidica è stata sviluppata in uno strumento davvero interessante e interessante, in particolare nell'area di Boston e Cambridge. L'ideatore della tecnologia microfluidica nella sua forma attuale è il professor George Whitesides di Harvard che ha introdotto il processo di litografia morbida e l'uso del PDMS per la fabbricazione di micro dispositivi.

Da allora, l'applicazione della microfluidica è cresciuta in modo esponenziale in tutta una serie di campi. Dall'ingegneria chimica alle scienze della salute, abbiamo iniziato ad applicarla all'ecologia microbica e ad affrontare alcuni di questi problemi su piccola scala nell'oceano per quanto riguarda il nuoto dei microrganismi. In poche parole, è difficile, se non impossibile, studiare questi processi direttamente nell'oceano a causa delle loro piccole scale e a causa della variabilità che l'oceano necessariamente presenta, non siamo ancora in grado di visualizzare batteri che sono di circa un micron di dimensione, direttamente in situ nell'oceano, e allo stesso tempo, Le persone hanno cercato di modellare questi processi, ad esempio, numericamente o teoricamente, ma poiché si tratta di biologia, bisogna necessariamente fare affidamento su ipotesi.

Ad esempio, dovrai fare ipotesi sulla strategia di nuoto di un batterio o sulla strategia di chemiotaxi di un batterio, e quindi sono necessari esperimenti reali per fare progressi in questo campo. La microfluidica ci permette di portare in laboratorio piccole regioni, piccole parti dell'oceano, e allo stesso tempo di esporre batteri e microrganismi a condizioni ambientali realistiche, sia in termini di nutrienti che in termini di flussi. Allo stesso tempo, utilizzando la microscopia video e il tracciamento cellulare, possiamo studiare il comportamento dei singoli batteri in un modo molto attentamente controllato che ci consente di fare progressi in queste domande in un modo che non sarebbe stato possibile circa 10 anni fa, e tutto ciò è dovuto ai progressi tecnologici, in particolare micro verdetti.

Ci sono due sfide principali che vedo davanti a noi in questo campo. Il primo, come ho detto prima, è quello di essere in grado a un certo punto di portare queste domande nell'oceano. La ragione per cui alla fine si ha bisogno di andare nell'oceano è quella di catturare tutta la variabilità che è insita in questi processi.

Ad esempio, non abbiamo ancora idea di cosa fuoriesca realmente da una particella di sedimentazione, che tipo di nutrienti siano presenti, verso quali tipi di composti chimici la chemioterapia batterica tassa in laboratorio. Possiamo studiare solo la più semplice di queste condizioni, ma ciò che realmente accade nell'oceano è un insieme di processi complicati e molto variabili che dobbiamo esplorare direttamente in C due. Questa è una grande sfida dal punto di vista del campionamento dal punto di vista dell'imaging e dal punto di vista dell'analisi chimica e biologica su bilance, che come ho accennato alcune volte sono solo nell'ordine di pochi micrometri e in termini di volumi di picolitri.

La seconda sfida che vedo più facile da affrontare è quella di visualizzare il comportamento in tre dimensioni. Tutto ciò che facciamo attualmente in laboratorio è bidimensionale. Usiamo la microscopia convenzionale per visualizzare le traiettorie e l'accumulo di microrganismi, ma abbiamo grandi speranze in una tecnica nota come olografia digitale per darci nel lasso di tempo di forse tre o cinque anni la capacità di tracciare queste cose in tre dimensioni e quindi in modo più fatale e più realistico, realisticamente in grado di catturare l'ecologia nei prossimi cinque anni.

Oltre a cercare di andare tridimensionali nel campionamento e forse a cercare di fare i primi, primi passi ingenui possibilmente verso il campionamento di cose nell'oceano, vogliamo sicuramente collegare questi studi con gli sforzi in corso per comprendere la genomica di questi organismi. C'è una grande spinta, in particolare come parte dell'iniziativa del sistema terrestre, per comprendere la composizione genetica e la variabilità in termini di genetica di questi batteri sul campo. Allo stesso tempo, la genomica non ha la capacità di collegare direttamente i risultati con il comportamento degli organismi, e questo è ciò che speriamo che la microfluidica e questi studi ecologici classici più comportamentali siano in grado di portare sul tavolo.

Abbiamo un'ottima configurazione e un grande team di persone che studiano la genomica dei batteri marini e, collaborando con loro, speriamo di essere in grado di collegare queste due domande fondamentali per ottenere una migliore comprensione di quali batteri sono presenti nell'oceano e qual è il loro ruolo nel determinare la salute dell'oceano e la salute del pianeta.