Studies van Bacteriële Chemotaxis gebruik Microfluidics - Interview

Mijn naam is Roman Stocker. Ik ben een assistent-hoogleraar in mijn tweede jaar in het Ralph Parsons Laboratory, dat deel uitmaakt van het Department of Civil and Environmental Engineering hier bij MIT. Ik kom oorspronkelijk uit Italië en heb vloeistofmechanica gestudeerd.

Mijn achtergrond ligt daarom meer in de fysische wetenschappen, maar in de afgelopen twee jaar, eigenlijk drie jaar, ben ik meer verschoven naar milieu- en biologische onderwerpen. Twee jaar geleden ben ik begonnen met het ontwikkelen van microfluidica om problemen in de microbiële ecologie te onderzoeken en met behulp van deze micro-apparaten zijn we in staat om typische ecologische vragen te stellen over zaken op de schaal van microns. Ons werk richt zich primair op algenorganismen, die kunnen rondzwemmen in de oceaan en hun voedselbronnen kunnen volgen.

In het bijzonder hebben bacteriën zeer ingenieuze manieren ontwikkeld om te zwemmen, en ik heb hier een kleine demonstratie. De bacteriële kop is nagenoeg een ellipsoïde. Stel u voor dat deze ongeveer twee microns groot is.

Aan de achterzijde van de bacterie bevindt zich één of meer flagellen. Deze flagellen zijn helixvormige structuren die de bacterie kan roteren. Deze rotatie wekt een stuwkracht op die de bacterie in staat stelt om daadwerkelijk voorwaarts te zwemmen.

Er zijn verschillende modi waarop bacteriën dit doen, en er zijn verschillende zwemstrategieën; dat is een van de aspecten waar ons onderzoek zich op richt. De reden waarom bacteriën in de oceaan zwemmen is om voedingsbronnen beter te kunnen exploiteren, en dat maakt deel uit van een paradigmaverschuiving die de afgelopen 15 tot 20 jaar heeft plaatsgevonden. Daarvóór dacht men dat de oceaan op schalen van meters tot tientallen meters een homogene soep van voedingsstoffen was, en in dat beeld van de oceaan werd aangenomen dat kleine organismen zoals bacteriën geen substantiële rol speelden en dat zij simpelweg passief werden meegevoerd door de oceaanstromingen.

Maar 10 of 15 jaar geleden realiseerden mensen zich dat dit echt niet is wat er in de oceaan gebeurt en dat deze kleine organismen in feite tot de belangrijkste spelers behoren bij het bepalen van de gezondheid van de oceaan en daarmee zelfs zaken als ons wereldwijde klimaat. Dit komt door twee redenen. De eerste reden is dat ze overal in de oceaan voorkomen en hun cumulatieve biomassa gaat tot in hoge mate dat van alle andere mariene organismen te boven.

De tweede reden, en wellicht de meest fundamentele, is dat deze kleinschalige organismen door het benutten van nutriëntenbronnen en in het bijzonder koolstof, nutriënten kunnen recyclen voor andere componenten van het voedselweb, waardoor andere aspecten en delen van de trofische keten in de oceaan aanzienlijk worden geïntensiveerd. In dit kader richt ons werk zich primair op de interactie tussen zwemmende organismen en nutriëntenplekken. Bacteriën zijn niet alleen in staat om te zwemmen, maar kunnen ook nutriëntengradiënten waarnemen.

Dat wil zeggen dat ze in staat zijn om waar te nemen wanneer de omstandigheden verbeteren en dat ze nutrientengradiënten volgen door ertegenin te zwemmen. Dit gebeurt via een proces dat bekend staat als chemotaxis. Chemotaxis is het vermogen om een chemische gradiënt waar te nemen en deze door middel van zwemmen te lokaliseren.

Dit is precies waar we in het laboratorium onderzoek naar doen, en microfluidica is een instrument waarmee we de chemotactische eigenschappen en het zwemvermogen van bacteriën kunnen onderzoeken om zo hun rol te extrapoleren en op te schalen, zodat we kunnen bepalen hoe belangrijk ze zijn voor de gezondheid van de oceaan. In het afgelopen anderhalf jaar hebben we micro-apparaten opgezet waarmee we bacteriën kunnen blootstellen aan verschillende soorten omstandigheden die typisch in de oceaan voorkomen. Zoals ik eerder al zei, typische nutriëntenplekken, maar bijvoorbeeld ook turbulentie.

Wat we tot nu toe hebben ontdekt, is dat mariene bacteriën zich zeer efficiënt lijken te hebben aangepast om deze nutriëntenrijke plekken te benutten en in staat zijn om door middel van zwemmen een grote verscheidenheid aan turbulente omstandigheden in de oceaan tegen te gaan. Dit maakt hen zeer geschikt om te overleven in een oceaan die vanuit hun perspectief doorgaans een nutriëntenvrije woestijn is, waarin nutriënten slechts voorkomen in verspreide en zeer zeldzame vlekken in een driedimensionale waterkolom. Tegelijkertijd zijn ze in staat om te zwemmen en turbulentie te overwinnen, waardoor ze hun voedingsstoffen kunnen blijven volgen, zelfs wanneer het water om hen heen heftig in beweging is. Het Earth System Initiative is een zeer interessant initiatief dat mensen uit verschillende disciplines samenbrengt, die allemaal geïnteresseerd zijn in een beter begrip van hoe onze planeet precies functioneert. Kortom, het doel van het Earth System Initiative is om voor de planeet hetzelfde te proberen te bereiken als we al een lange tijd doen.

Voor het menselijk lichaam is het begrijpen van de eigen gezondheid essentieel, maar tegenwoordig is het begrijpen van de gezondheid van de planeet bijzonder belangrijk vanwege zorgen over bijvoorbeeld de wereldwijde opwarming en broeikasgassen. Verschillende inspanningen binnen het Earth System-initiatief zijn er dan ook op gericht om de gezondheid van de planeet beter te begrijpen. Ons werk draagt hieraan bij door te kijken naar één component van de koolstofcyclus in de oceaan. We proberen in het bijzonder te begrijpen hoe kleine organismen, zoals eerder genoemde zwemmende bacteriën, deze grootschalige cycli kunnen beïnvloeden, wat gevolgen heeft voor de wereldwijde koolstofcyclus in de oceaan en daarmee voor de wereldwijde koolstofcyclus in zijn geheel, inclusief de atmosfeer.

Al ons werk tot nu toe op dit gebied is mogelijk gemaakt en zelfs gestimuleerd door één belangrijke technologische vooruitgang, namelijk de microfluidica. In de afgelopen 10 jaar is de microfluidica ontwikkeld tot een zeer interessante en waardevolle tool, in het bijzonder in de regio Boston Cambridge. De grondlegger van de microfluidica-technologie in haar huidige vorm is professor George Whitesides van Harvard, die het proces van soft lithography en het gebruik van PDMS voor de fabricage van micro-apparaten introduceerde.

Sinds die tijd is de toepassing van microfluidica exponentieel gegroeid in een breed scala aan vakgebieden. Van de chemische technologie tot de gezondheidswetenschappen; we zijn het gaan toepassen op de microbiële ecologie om enkele van deze kleinschalige problemen in de oceaan aan te pakken met betrekking tot het zwemgedrag van micro-organismen. Kortom, het is moeilijk, zo niet onmogelijk, om deze processen direct in de oceaan te bestuderen vanwege de kleine schaal en de onvermijdelijke variabiliteit van de oceaan; we zijn nog steeds niet in staat om bacteriën met een grootte van ongeveer een micron direct in situ in de oceaan te visualiseren. Tegelijkertijd heeft men geprobeerd deze processen te modelleren, bijvoorbeeld numeriek of theoretisch, maar omdat het hier om biologie gaat, moet men noodgedwongen vertrouwen op aannames.

U zult bijvoorbeeld aannames moeten doen over de zwimstrategie of de chemotaxisstrategie van een bacterie, en daarom zijn echte experimenten nodig om vooruitgang te boeken in dit vakgebied. Microfluidica stelt ons in staat om kleine gebieden, kleine delen van de oceaan, naar het laboratorium te brengen en bacteriën en micro-organismen tegelijkertijd bloot te stellen aan realistische omgevingscondities, zowel wat betreft nutriënten als wat betreft stromingen. Tegelijkertijd kunnen we door middel van videomicroscopie en celtracking het gedrag van individuele bacteriën op een zeer zorgvuldig gecontroleerde manier bestuderen, waardoor we vooruitgang kunnen boeken bij deze vraagstukken op een wijze die ongeveer 10 jaar geleden nog niet mogelijk was; dit alles is te danken aan technologische vooruitgang, specifiek microfluidica.

Ik zie twee belangrijke uitdagingen voor ons in dit vakgebied. De eerste is, zoals ik eerder al noemde, om op een bepaald punt deze vragen naar de oceaan te kunnen meenemen. De reden waarom men uiteindelijk naar de oceaan moet gaan, is om alle variabiliteit vast te leggen die inherent is aan deze processen.

We hebben bijvoorbeeld nog steeds geen idee van wat er precies uit een zinkend partikel lekt, welke soorten nutriënten aanwezig zijn en naar welke chemische verbindingen bacteriën in het laboratorium chemotactisch reageren. We kunnen slechts de eenvoudigste van deze condities bestuderen, maar wat er werkelijk in de oceaan gebeurt, is een verzameling van complexe en zeer variabele processen die we uiteindelijk direct in situ moeten onderzoeken. Dit is een grote uitdaging vanuit het oogpunt van bemonstering, vanuit het oogpunt van beeldvorming en vanuit het oogpunt van het uitvoeren van chemische en biologische analyses op schalen die, zoals ik al een paar keer noemde, slechts in de orde van enkele micrometers en in termen van volumes van picoliters liggen.

De tweede uitdaging die volgens mij eenvoudiger aan te pakken is, is het visualiseren van gedrag in drie dimensies. Alles wat we momenteel in het laboratorium doen is tweedimensionaal. We maken gebruik van conventionele microscopie om trajecten en de accumulatie van micro-organismen te visualiseren, maar we hebben grote hoop op een techniek genaamd digitale holografie om ons binnen een tijdspanne van wellicht drie tot vijf jaar de mogelijkheid te geven deze zaken in drie dimensies te volgen en zo accurater en realistischer de ecologie in de komende vijf jaar vast te kunnen leggen.

Naast het streven naar driedimensionale bemonstering en het zetten van de eerste, eenvoudige stappen richting bemonstering in de oceaan, willen we deze studies zeker koppelen aan lopende inspanningen om de genomica van deze organismen te begrijpen. Er is, met name als onderdeel van het Earth System Initiative, een sterke focus op het begrijpen van de genetische samenstelling en de genetische variabiliteit van deze bacteriën in het veld. Tegelijkertijd ontbreekt het de genomica aan het vermogen om bevindingen direct te koppelen aan het gedrag van de organismen; dat is precies wat we hopen dat microfluidica en deze meer gedragsgerichte, klassieke ecologische studies kunnen bijdragen.

We beschikken over een uitstekende opzet en een geweldig team van mensen die onderzoek doen naar de genomica van mariene bacteriën, en door met hen samen te werken, hopen we deze twee fundamentele vragen aan elkaar te kunnen koppelen om een beter begrip te krijgen van welke bacteriën er in de oceaan voorkomen en wat hun rol is bij het bepalen van de gezondheid van de oceaan en de gezondheid van de planeet.