Gli studi di chemiotassi batterica Utilizzando Microfluidica - Intervista

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

Il mio background è quindi più legato alle scienze fisiche, ma negli ultimi due, anzi tre anni, mi sono avvicinato sempre di più a tematiche ambientali e biologiche. Due anni fa ho iniziato a sviluppare la microfluidica per affrontare problemi di ecologia microbica e, grazie a questi dispositivi microscopici, siamo in grado di indagare domande ecologiche classiche su fenomeni che avvengono a scale dell'ordine del micron. Il nostro lavoro riguarda principalmente organismi al, quelli in grado di nuotare nell'oceano e localizzare le proprie fonti di cibo.

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

Alla parte posteriore del batterio è presente uno o più flagelli. Queste strutture elicoidali possono ruotare, e tale rotazione genera una spinta che permette al batterio di nuotare in avanti.

Esistono diversi modi in cui i batteri effettuano questa attività, e ci sono diverse strategie di nuoto, che rappresentano parte di ciò che il nostro ricerca prende in considerazione. Il motivo per cui i batteri nuotano nell'oceano è quello di sfruttare meglio le fonti di nutrienti, e questo fa parte di un cambiamento di paradigma avvenuto negli ultimi 15 o 20 anni. In precedenza, si riteneva che l'oceano fosse una zuppa omogenea di nutrienti su scale di metri fino a decine di metri, e in questa visione dell'oceano si pensava che organismi su piccola scala come i batteri non avessero un ruolo significativo, essendo semplicemente trasportati passivamente dalle correnti oceaniche.

Tuttavia, circa 10 o 15 anni fa, si è compreso che in realtà nel mare non è questo ciò che accade e che, al contrario, questi organismi su piccola scala sono tra i protagonisti più importanti nel determinare la salute degli oceani e, di conseguenza, anche fenomeni come il clima globale. Ciò è dovuto a due ragioni. La prima è che questi organismi sono presenti ovunque negli oceani e la loro biomassa cumulativa supera di gran lunga quella di tutti gli altri organismi marini.

La seconda ragione, e forse quella più fondamentale, è che questi organismi su piccola scala, sfruttando le fonti di nutrienti e in particolare il carbonio, possono riciclare i nutrienti per altri componenti della rete alimentare, intensificando così in modo significativo altri aspetti e altre parti della catena trofica nell'oceano. In tutto ciò, il nostro lavoro si concentra principalmente sull'interazione tra organismi nuotatori e zone ricche di nutrienti. I batteri non solo sono in grado di nuotare, ma possono anche rilevare e percepire gradienti di nutrienti.

Cioè, sono in grado di rilevare quando le condizioni di vita migliorano e nuotano lungo gradienti di nutrienti. Lo fanno attraverso un processo noto come chemotassi. La chemotassi è la capacità di percepire un gradiente chimico e dirigersi nuotando verso di esso.

Questo è ciò che studiamo realmente in laboratorio e la microfluidica è uno strumento che ci consente di analizzare le capacità chemiotattiche e di nuoto dei batteri, permettendoci quindi di estrapolare e amplificare il loro ruolo per determinare quanto siano importanti nel mantenimento della salute dell'oceano. Nell'ultimo anno e mezzo, abbiamo allestito dispositivi microfluidici che ci permettono di esporre i batteri a diversi tipi di condizioni tipicamente presenti nell'oceano. Come dicevo prima, tipiche zone ricche di nutrienti, ma anche, ad esempio, la turbolenza.

Ciò che abbiamo scoperto finora è che i batteri marini sembrano essersi adattati in modo molto efficiente per sfruttare queste zone ricche di nutrienti ed essere in grado di contrastare, nuotando, una vasta gamma di condizioni di turbolenza nell'oceano, rendendoli particolarmente adatti a sopravvivere in un ambiente che, dal loro punto di vista, è tipicamente un deserto di nutrienti, nel quale le sostanze nutritive si presentano solo in modo disperso e in rare zone all'interno di una colonna d'acqua tridimensionale, e al contempo essere in grado di nuotare, contrastare la turbolenza e quindi riuscire comunque a seguire le fonti di nutrienti anche quando l'acqua circostante si muove violentemente. L'iniziativa sul sistema terrestre è un progetto molto interessante che riunisce persone provenienti da diverse discipline, tutte interessate a comprendere meglio il funzionamento effettivo del nostro pianeta. In sintesi, l'obiettivo dell'iniziativa sul sistema terrestre è cercare di fare per il pianeta ciò che stiamo già facendo da molto tempo.

Per il corpo umano, che cerca di comprendere il proprio stato di salute, comprendere la salute del pianeta oggi è particolarmente importante a causa delle preoccupazioni legate al riscaldamento globale, ad esempio, ai gas serra e a diversi sforzi all'interno dell'iniziativa sul sistema terrestre volti a migliorare la comprensione dello stato di salute del pianeta. Il nostro lavoro si inserisce in questo contesto analizzando un componente del ciclo del carbonio nell'oceano. Cerchiamo in particolare di capire come organismi su piccola scala, come già menzionato, batteri nuotatori in particolare, possano influenzare questi cicli su larga scala, con ripercussioni sul ciclo globale del carbonio nell'oceano e quindi sul ciclo globale del carbonio a livello mondiale, compresa l'atmosfera.

Tutto il nostro lavoro finora in questo campo è stato reso possibile e in effetti innescato da un importante avanzamento tecnologico, ovvero la microfluidica. Negli ultimi 10 anni, la microfluidica si è sviluppata in uno strumento davvero interessante e innovativo, in particolare nell'area di Boston e Cambridge. Il pioniere 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 dispositivi microfluidici.

Da allora, l'applicazione della microfluidica è cresciuta in modo esponenziale in un'intera gamma di settori. 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 relativi al movimento natatorio dei microorganismi. In sintesi, è difficile, se non impossibile, studiare direttamente questi processi nell'oceano a causa delle loro ridotte dimensioni e della variabilità inevitabilmente presente nell'ambiente oceanico; al momento non siamo ancora in grado di visualizzare direttamente in situ nell'oceano batteri di dimensioni pari a circa un micron. Allo stesso tempo, le persone hanno cercato di modellare questi processi, ad esempio numericamente o teoricamente, ma poiché si tratta di biologia, è necessariamente indispensabile fare affidamento su assunzioni.

Ad esempio, sarà necessario formulare ipotesi sulla strategia natatoria di un batterio o sulla strategia di chemiotassi di un batterio, e pertanto sono necessari esperimenti reali per fare progressi in questo campo. La microfluidica ci permette di portare piccole regioni, piccole porzioni dell'oceano, in laboratorio, ed al contempo esporre batteri e microorganismi a condizioni ambientali realistiche, sia in termini di nutrienti che di flussi. Allo stesso tempo, utilizzando la microscopia video e il tracciamento cellulare, possiamo studiare il comportamento di singoli batteri in modo estremamente controllato, consentendoci di progredire su queste domande in un modo che non sarebbe stato possibile circa 10 anni fa, e tutto ciò è dovuto ai progressi tecnologici, in particolare ai micro Verdicts.

Due principali sfide mi si presentano davanti in questo campo. La prima, come ho già menzionato, è riuscire a un certo punto a portare queste domande nell'oceano. Il motivo per cui alla fine è necessario recarsi nell'oceano è catturare tutta la variabilità insita in questi processi.

Ad esempio, non abbiamo ancora idea di cosa fuoriesca effettivamente da una particella in sedimentazione, di quale tipo di nutrienti sia presente o di quali composti chimici le batteri趋 towards in laboratorio. Possiamo studiare solo le condizioni più semplici, ma ciò che realmente avviene nell'oceano è un insieme di processi complessi e altamente variabili che dobbiamo infine esplorare direttamente in C due. Questa rappresenta una grande sfida sia dal punto di vista del campionamento, sia da quello dell'imaging e dell'analisi chimica e biologica su scale che, come ho già menzionato più volte, sono dell'ordine di pochi micrometri e in termini di volumi di picolitri.

La seconda sfida, che ritengo più facile da affrontare, riguarda la visualizzazione del comportamento in tre dimensioni. Tutto ciò che attualmente facciamo in laboratorio è bidimensionale. Utilizziamo la microscopia convenzionale per visualizzare le traiettorie e l'accumulo di microrganismi, ma riponiamo grandi speranze in una tecnica nota come olografia digitale, che potrebbe permetterci nel giro di tre-cinque anni di tracciare questi fenomeni in tre dimensioni e quindi di catturare in modo più accurato e realistico l'ecologia nei prossimi cinque anni.

Oltre a cercare di ottenere un campionamento tridimensionale e forse tentare i primi, semplici passi verso il campionamento di elementi nell'oceano, vogliamo sicuramente collegare questi studi agli sforzi in corso volti a comprendere la genomica di questi organismi. Esiste in particolare un forte impulso, nell'ambito dell'iniziativa sul sistema terrestre, volto a comprendere la composizione genetica e la variabilità dal punto di vista genetico di questi batteri presenti in natura. Allo stesso tempo, la genomica non è in grado di collegare direttamente i risultati ottenuti con il comportamento degli organismi, e proprio questo è ciò che speriamo possano fornire la microfluidica e questi studi più comportamentali e di ecologia classica.

Abbiamo un'ottima struttura e un ottimo team di persone che studia la genomica dei batteri marini, e collaborando con loro speriamo di riuscire a collegare queste due domande fondamentali per ottenere una comprensione più approfondita dei batteri presenti nell'oceano e del loro ruolo nel determinare la salute dell'oceano e la salute del pianeta.