Badania nad chemotaksją bakteryjną z wykorzystaniem mikroprzepływów – wywiad

Nazywam się Roman Stocker. Jestem adiunktem w drugim roku pracy w Laboratorium Ralpha Parsonsa, które wchodzi w skład Departamentu Inżynierii Lądowej i Środowiska tutaj, na MIT. Pochodzę z Włoch i studiowałem mechanikę płynów.

Moje wykształcenie opiera się zatem bardziej na naukach fizycznych, jednak w ciągu ostatnich dwóch, a właściwie trzech lat, zaczęłam zajmować się w większym stopniu tematyką środowiskową i biologiczną. Dwa lata temu rozpoczęłam opracowywanie systemów mikroprzepływowych w celu badania problemów z zakresu ekologii mikrobowej; dzięki tym mikro urządzeniom jesteśmy w stanie analizować typowe pytania ekologiczne w skali mikronowej. Nasza praca koncentruje się przede wszystkim na organizmach zdolnych do poruszania się w oceanie i śledzenia źródeł pożywienia.

W szczególności bakterie wykształciły bardzo pomysłowe sposoby poruszania się, co mogę tutaj krótko zademonstrować. Głowa bakterii ma kształt zbliżony do elipsoidy. Można sobie wyobrazić, że ma ona rozmiar około 2 µm.

Z tyłu bakterii znajduje się jeden lub więcej wici. Wici te są strukturami helikalnymi, które bakteria może obracać. Ten ruch obrotowy wytwarza siłę napędową, która pozwala bakterii faktycznie płynąć naprzód.

Istnieją różne tryby, w jakich bakterie faktycznie to robią, oraz różne strategie pływania, co stanowi część zagadnień, którymi zajmują się nasze badania. Powodem, dla którego bakterie pływają w oceanie, jest możliwość lepszego wykorzystania źródeł składników odżywczych, co wpisuje się w zmianę paradygmatu, która nastąpiła w ciągu ostatnich 15 lub 20 lat. Wcześniej uważano, że ocean jest homogeniczną zupą składników odżywczych w skalach od metrów do dziesiątek metrów, a w takim obrazie oceanu przyjmowano, że organizmy o tak małych rozmiarach, jak bakterie, nie odgrywają istotnej roli i są w rzeczywistości jedynie biernie przemieszczane przez prądy oceaniczne.

Jednak 10 lub 15 lat temu zdano sobie sprawę, że rzeczywistość w oceanach wygląda inaczej i że w rzeczywistości te małoskalowe organizmy należą do najważniejszych czynników warunkujących stan zdrowia oceanów, a tym samym nawet takie kwestie jak nasz globalny klimat. Wynika to z dwóch powodów. Pierwszym jest fakt, że występują one w każdym zakątku oceanu, a ich skumulowana biomasa znacznie przewyższa biomasę wszystkich pozostałych organizmów morskich.

Drugim, a być może najważniejszym powodem jest fakt, że organizmy te, ze względu na niewielką skalę, wykorzystując źródła składników odżywczych, a w szczególności węgiel, mogą recyklingować te substancje dla innych komponentów sieci pokarmowej, intensyfikując tym samym znacząco inne aspekty i ogniwa łańcucha troficznego w oceanie. W tym kontekście nasza praca koncentruje się przede wszystkim na oddziaływaniu między organizmami ruchliwymi a skupiskami składników odżywczych. Bakterie nie tylko potrafią się poruszać, ale są również zdolne do wyczuwania i wykrywania gradientów stężeń substancji odżywczych.

Oznacza to, że są one w stanie rozpoznać moment, w którym warunki życia ulegają poprawie, i płynąć w kierunku wyższych stężeń substancji odżywczych. Odbywa się to w procesie zwanym chemotaksją. Chemotaksja jest zdolnością do wykrywania gradientu chemicznego i płynięcia w jego kierunku.

To jest przedmiot naszych badań w laboratorium, a mikrofluidyka jest narzędziem, które pozwala nam badać zdolności chemotaktyczne i pływackie bakterii, a tym samym ekstrapolować i skalować ich rolę, aby określić, jak istotne są one dla stanu zdrowia oceanu. W ciągu ostatniego półtora roku skonstruowaliśmy mikro urządzenia, które pozwalają nam narażać bakterie na różne warunki typowe dla środowiska oceanicznego. Jak wspomniałem wcześniej, są to typowe plamy składników odżywczych, ale również na przykład turbulencje.

To, co odkryliśmy do tej pory, to że bakterie morskie wydają się bardzo efektywnie przystosować do wykorzystywania tych plamek nutrientów oraz potrafią przeciwdziałać, poprzez pływanie, szerokiej gamie warunków turbulencji w oceanie, co sprawia, że są one bardzo dobrze przystosowane do przetrwania w oceanie, który z ich perspektywy jest zazwyczaj pustynią nutrientów, a one same występują jedynie w rozproszonych i bardzo rzadkich plamkach w trójwymiarowej kolumnie wody, a jednocześnie są w stanie pływać, walczyć z turbulencjami i w ten sposób nadal śledzić swoje źródła pożywienia, nawet gdy woda wokół nich gwałtownie się porusza. Earth system initiative to bardzo interesująca inicjatywa, która gromadzi wielu ludzi z różnych dyscyplin, wszystkich zainteresowanych lepszym zrozumieniem tego, jak faktycznie działa nasza planeta. Krótko mówiąc, celem earth system initiative jest próba zrobienia dla planety tego samego, co już robimy i co robiliśmy od dłuższego czasu.

Dla ludzkiego organizmu, który dąży do zrozumienia własnego stanu zdrowia, zrozumienie zdrowia planety jest obecnie szczególnie istotne ze względu na obawy związane na przykład z globalnym ociepleniem i gazami cieplarnianymi; wiele działań w ramach inicjatywy systemu ziemskiego jest ukierunkowanych na lepsze zrozumienie stanu zdrowia planety. Nasza praca wpisuje się w te dążenia poprzez analizę jednego z komponentów cyklu węglowego w oceanie. Staramy się zrozumieć w szczególności, w jaki sposób organizmy w małej skali – a zwłaszcza wspomniane wcześniej pływające bakterie – mogą wpływać na te wielkoskalowe cykle, co przekłada się na globalny cykl węglowy w oceanie, a tym samym na globalny cykl węglowy w skali całego świata, w tym w atmosferze.

Wszystkie nasze dotychczasowe prace w tej dziedzinie były możliwe, a wręcz zainicjowane dzięki jednemu kluczowemu osiągnięciu technologicznemu, jakim jest mikrofluidyka. W ciągu ostatnich 10 lat mikrofluidyka rozwinęła się w niezwykle interesujące i zaawansowane narzędzie, szczególnie w regionie Boston-Cambridge. Twórcą technologii mikrofluidyki w jej obecnej formie jest profesor George Whitesides z Harvardu, który wprowadził proces miękkiej litografii oraz zastosowanie PDMS do produkcji mikroukładów.

Od tego czasu zastosowanie mikroprzepływów rozwijało się wykładniczo w szerokim zakresie dziedzin. Od inżynierii chemicznej po nauki o zdrowiu, zaczęliśmy stosować tę technologię w ekologii mikroorganizmów, aby rozwiązać niektóre z tych małoskalowych problemów w oceanach dotyczących ruchu mikroorganizmów. W skrócie, badanie tych procesów bezpośrednio w oceanie jest trudne, jeśli nie niemożliwe, ze względu na ich małą skalę oraz zmienność, która jest nieodłączną cechą oceanu; wciąż nie jesteśmy w stanie wizualizować bakterii o rozmiarach około jednego mikrona bezpośrednio in situ w oceanie, a jednocześnie próbowano modelować te procesy, na przykład numerycznie lub teoretycznie, lecz ze względu na specyfikę biologii, nieuchronnie trzeba polegać na założeniach.

Na przykład konieczne jest przyjęcie założeń dotyczących strategii pływania lub strategii chemotaksji bakterii, dlatego aby poczynić postępy w tej dziedzinie, niezbędne są rzeczywiste eksperymenty. Mikrofluidyka pozwala nam przenieść do laboratorium niewielkie obszary, małe fragmenty oceanu, a jednocześnie wystawić bakterie i mikroorganizmy na realistyczne warunki środowiskowe, zarówno pod kątem składników odżywczych, jak i przepływów. Jednocześnie, dzięki zastosowaniu mikroskopii wideo i śledzenia komórek, możemy badać zachowanie pojedynczych bakterii w bardzo precyzyjnie kontrolowany sposób, co pozwala nam poszukiwać odpowiedzi na te pytania w sposób, który nie byłby możliwy około 10 lat temu, a wszystko to dzięki postępom technologicznym, a konkretnie mikrofluidyce.

Dostrzegam dwa główne wyzwania, które stoją przed nami w tej dziedzinie. Pierwszym z nich, jak wspomniałem wcześniej, jest możliwość przeniesienia tych zagadnień w przyszłości do środowiska oceanicznego. Powodem, dla którego ostatecznie konieczne jest udanie się do oceanu, jest chęć uchwycenia całej zmienności, która jest nieodłączna dla tych procesów.

Na przykład wciąż nie mamy pojęcia, co tak naprawdę wycieka z opadającej cząsteczki, jakie składniki odżywcze są obecne oraz w stronę jakich związków chemicznych bakterie wykazują chemotaksję w warunkach laboratoryjnych. Możemy badać jedynie najprostsze z tych warunków, jednak to, co faktycznie dzieje się w oceanie, to zbiór skomplikowanych i bardzo zmiennych procesów, które w ostateczności musimy zbadać bezpośrednio w situ. Jest to ogromne wyzwanie z punktu widzenia pobierania próbek, obrazowania oraz przeprowadzania analiz chemicznych i biologicznych w skalach, które, jak wspominałem już kilka razy, wynoszą zaledwie kilka mikrometrów, a w przypadku objętości – picolitry.

Drugim wyzwaniem, które uważam za łatwiejsze do pokonania, jest wizualizacja zachowań w trzech wymiarach. Wszystko, co obecnie robimy w laboratorium, jest dwuwymiarowe. Do wizualizacji trajektorii i akumulacji mikroorganizmów wykorzystujemy konwencjonalną mikroskopię, ale pokładamy duże nadzieje w technice znanej jako holografia cyfrowa, która w perspektywie trzech do pięciu lat może dać nam możliwość śledzenia tych zjawisk w trzech wymiarach, a tym samym bardziej wiarygodnie i realistycznie uchwycić ekologię w ciągu najbliższych pięciu lat.

Oprócz dążenia do wprowadzenia trójwymiarowości w próbkowaniu i być może podejmowania pierwszych, wstępnych kroków w stronę pobierania próbek z oceanów, z pewnością chcemy powiązać te badania z trwającymi wysiłkami na rzecz zrozumienia genomiki tych organizmów. Szczególnie w ramach inicjatywy systemów ziemskich kładzie się duży nacisk na zrozumienie składu genetycznego oraz zmienności genetycznej tych bakterii występujących w środowisku naturalnym. Jednocześnie genomika nie daje możliwości bezpośredniego powiązania wyników z zachowaniem organizmów, a właśnie to, jak mamy nadzieję, wniosą mikroprzepływy oraz te bardziej behawioralne, klasyczne badania ekologiczne.

Dysponujemy doskonałym zapleczem oraz świetnym zespołem badawczym zajmującym się genomiką bakterii morskich i dzięki współpracy z nimi mamy nadzieję powiązać te dwa fundamentalne pytania, aby lepiej zrozumieć, jakie bakterie występują w oceanach oraz jaka jest ich rola w kształtowaniu stanu zdrowia oceanów i całej planety.