Badania chemotaksji bakteryjnej z wykorzystaniem mikrofluidyki - Wywiad

Nazywam się Roman Stocker. Jestem adiunktem na drugim roku w Laboratorium Ralpha Parsonsa, które jest częścią Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska na MIT. Pochodzę z Włoch i studiowałem mechanikę płynów.

Z wykształcenia wywodzę się raczej z nauk fizycznych, ale w ciągu ostatnich dwóch, a właściwie trzech lat, przeniosłem się bardziej w tematy środowiskowe i biologiczne. Dwa lata temu zacząłem rozwijać mikrofluidykę, aby przyjrzeć się problemom ekologii mikrobiologicznej i za pomocą tych mikrourządzeń jesteśmy w stanie opracować typowe pytania ekologiczne dla rzeczy w skali mikronów. Nasza praca skupia się przede wszystkim na organizmach al, czyli tych, które potrafią pływać w oceanie i śledzić źródła pożywienia.

W szczególności bakterie rozwinęły bardzo sprytne sposoby pływania, a ja mam tutaj małą demonstrację. Głowa bakteryjna jest prawie elipsoidą. Wyobraź sobie, że ma to rozmiar około dwóch mikronów.

Z tyłu bakterii znajduje się jedna lub więcej wici. Te wici są spiralnymi strukturami, które bakteria może gnić, obracać się. Ta rotacja zawodowców wytwarza zaufanie, które pozwala bakterii faktycznie płynąć do przodu.

Istnieją różne sposoby, w jakie bakterie to robią, istnieją różne strategie pływania i jest to część tego, czego dotyczą nasze badania. Powodem, dla którego bakterie pływają w oceanie, jest możliwość lepszego wykorzystania źródeł składników odżywczych, a to jest część zmiany paradygmatu, która nastąpiła w ciągu ostatnich 15 lub 20 lat. Wcześniej ludzie zwykli myśleć, że ocean jest jednorodną zupą składników odżywczych w skali od metrów do dziesiątek metrów, a w tym obrazie oceanu te małe organizmy, takie jak bakterie, zostały nauczone, aby nie odgrywały żadnej istotnej roli i były po prostu biernie wektorowane przez zjawisko oceaniczne.

Ale 10 czy 15 lat temu ludzie zdali sobie sprawę, że to nie jest to, co dzieje się w oceanach i że w rzeczywistości te małe organizmy są jednymi z najważniejszych graczy w określaniu zdrowia oceanów, a tym samym nawet takich rzeczy jak nasz globalny klimat. Dzieje się tak z dwóch powodów. Pierwszym powodem jest to, że występują one wszędzie w oceanie, a ich skumulowana biomasa znacznie przewyższa biomasę wszystkich innych organizmów morskich.

Drugim powodem, i być może najbardziej podstawowym, jest to, że te małe organizmy, wykorzystując źródła składników odżywczych, a w szczególności węgiel, mogą przetwarzać składniki odżywcze dla innych składników sieci pokarmowej, a tym samym znacznie intensyfikować inne aspekty i inne części łańcucha troficznego w oceanie. W tym wszystkim nasza praca skupia się przede wszystkim na interakcji między organizmami pływającymi a plamami składników odżywczych. Bakterie nie tylko potrafią pływać, ale także są w stanie wykrywać gradienty składników odżywczych.

Oznacza to, że są w stanie stwierdzić, kiedy życie staje się lepsze i pływać w górę gradientów składników odżywczych. Robią to w procesie znanym jako chemotaksja. Odpowiednio. Podatki od chemioterapii to zdolność do wyczuwania gradientu chemicznego i pływania w nim do domu.

To jest właśnie to, co badamy w laboratorium, a mikrofluidyka jest narzędziem, które pozwala nam badać zdolności chemotaktyczne i pływackie bakterii, a tym samym ekstrapolować i zwiększać ich rolę, aby określić, jak ważne są w określaniu zdrowia oceanu. W ciągu ostatniego półtora roku stworzyliśmy mikrourządzenia, które pozwalają nam wystawiać bakterie na różnego rodzaju warunki, które zwykle występują w oceanach. Jak powiedziałem wcześniej, typowe plastry odżywcze, ale też np. turbulencje.

Do tej pory odkryliśmy, że bakterie morskie wydają się bardzo efektywnie przystosowywać do wykorzystywania tych plam składników odżywczych i być w stanie przeciwdziałać poprzez pływanie w wielu różnych warunkach turbulencji w oceanie, które sprawiają, że są one bardzo dobrze przystosowane do przetrwania w oceanie, który z ich punktu widzenia jest zazwyczaj pustynią składników odżywczych i w którym składniki odżywcze występują tylko w rozproszonych i bardzo rzadkie plamy w trójwymiarowym słupie wody, a jednocześnie być w stanie pływać, walczyć z turbulencjami, a tym samym nadal być w stanie śledzić swoje składniki odżywcze, nawet gdy woda wokół nich porusza się gwałtownie. Inicjatywa Systemu Ziemi jest bardzo interesującą inicjatywą, która łączy wielu ludzi z różnych dyscyplin, zainteresowanych lepszym zrozumieniem, jak naprawdę działa nasza planeta. Krótko mówiąc, celem Inicjatywy Systemu Ziemi jest próba zrobienia tego samego dla planety, co już robimy i robimy od dawna.

Dla ludzkiego ciała, które rozumie swoje zdrowie, zrozumienie zdrowia planety w dzisiejszych czasach jest szczególnie ważne ze względu na obawy związane na przykład z globalnym ociepleniem i gazami cieplarnianymi, a niektóre wysiłki w ramach inicjatywy systemu Ziemi są ukierunkowane na lepsze zrozumienie zdrowia planety. Nasza praca wpisuje się w to, przyglądając się jednemu z elementów obiegu węgla w oceanie. Staramy się w szczególności zrozumieć, w jaki sposób organizmy na małą skalę, jak wspomniałem wcześniej, a w szczególności bakterie pływające, mogą wpływać na te cykle na dużą skalę, co ma wpływ na globalny obieg węgla w oceanie, a tym samym na globalny obieg węgla na całym świecie, w tym na atmosferę.

Wszystkie nasze dotychczasowe prace w tej dziedzinie zostały umożliwione i faktycznie zainicjowane przez jeden kluczowy postęp technologiczny, jakim jest mikrofluidyka. W ciągu ostatnich 10 lat mikrofluidyka stała się naprawdę interesującym i fajnym narzędziem, szczególnie w rejonie Bostonu w Cambridge. Pomysłodawcą technologii mikrofluidyki w jej obecnej formie jest profesor George Whitesides z Harvardu, który wprowadził proces miękkiej litografii i wykorzystanie PDMS do wytwarzania mikrourządzeń.

Od tego czasu zastosowanie mikrofluidyki rozrosło się wykładniczo w wielu dziedzinach. Od inżynierii chemicznej po nauki o zdrowiu, zaczęliśmy stosować ją w ekologii mikrobiologicznej i rozwiązywać niektóre z tych problemów na małą skalę w oceanach związanych z pływaniem mikroorganizmów. Krótko mówiąc, badanie tych procesów bezpośrednio w oceanie jest trudne, jeśli nie niemożliwe ze względu na ich małą skalę i ze względu na zmienność, jaką ocean nieuchronnie prezentuje, nadal nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie bakterii o wielkości około mikrona, bezpośrednio in situ w oceanie, a jednocześnie, Ludzie próbowali modelować te procesy, na przykład numerycznie lub teoretycznie, ale ponieważ jest to biologia, koniecznie trzeba polegać na założeniach.

Na przykład, będziesz musiał przyjąć założenia dotyczące strategii pływania bakterii lub strategii taksówki chemicznej bakterii, dlatego potrzebne są prawdziwe eksperymenty, aby osiągnąć postęp w tej dziedzinie. Mikrofluidyka pozwala nam przenieść małe obszary, małe części oceanu do laboratorium, a jednocześnie wystawić bakterie i mikroorganizmy na warunki środowiskowe, które są realistyczne, zarówno pod względem składników odżywczych, jak i przepływów. Jednocześnie, korzystając z mikroskopii wideo i śledzenia komórek, możemy badać zachowanie poszczególnych bakterii w bardzo starannie kontrolowany sposób, który pozwala nam poczynić postępy w tych kwestiach w sposób, który nie byłby możliwy jeszcze około 10 lat temu, a wszystko to dzięki postępowi technologicznemu, w szczególności mikro Werdykty.

Widzę dwa główne wyzwania stojące przed nami w tej dziedzinie. Pierwszą, jak wspomniałem wcześniej, jest to, aby w pewnym momencie móc przenieść te pytania do oceanu. Powodem, dla którego ostatecznie trzeba udać się do oceanu, jest uchwycenie całej zmienności, która jest nieodłącznie związana z tymi procesami.

Na przykład, nadal nie mamy pojęcia, co tak naprawdę wycieka z osiadającej cząstki, jakie składniki odżywcze są obecne, do jakich związków chemicznych bakterie podchodzą chemioterapii w laboratorium. Możemy badać tylko najprostsze z tych warunków, ale to, co naprawdę dzieje się w oceanie, jest zbiorem skomplikowanych i bardzo zmiennych procesów, które ostatecznie musimy zbadać bezpośrednio w C dwóch. Jest to duże wyzwanie z punktu widzenia pobierania próbek, z punktu widzenia obrazowania oraz z punktu widzenia wykonywania analiz chemicznych i biologicznych na skalach, które jak już kilkakrotnie wspominałem są tylko rzędu kilku mikrometrów i objętości pikolitrów.

Drugim wyzwaniem, z którym wydaje mi się, że łatwiej się uporać, jest wizualizacja zachowania w trzech wymiarach. Wszystko, co robimy obecnie w laboratorium, jest dwuwymiarowe. Używamy konwencjonalnej mikroskopii do wizualizacji trajektorii i akumulacji mikroorganizmów, ale pokładamy wielką nadzieję w technice znanej jako holografia cyfrowa, która da nam w ciągu trzech do pięciu lat możliwość śledzenia tych rzeczy w trzech wymiarach, a zatem bardziej fatalnie i bardziej realistycznie, realistycznie zdolna do uchwycenia ekologii w ciągu najbliższych pięciu lat.

Oprócz prób przejścia do trójwymiarowości w próbkowaniu i być może prób podjęcia pierwszych, pierwszych naiwnych kroków w kierunku pobierania próbek z oceanu, zdecydowanie chcemy połączyć te badania z trwającymi wysiłkami na rzecz zrozumienia genomiki tych organizmów. W szczególności w ramach inicjatywy systemu Ziemi istnieje duży nacisk na zrozumienie składu genetycznego i zmienności pod względem genetyki tych bakterii w terenie. Jednocześnie genomika nie jest w stanie bezpośrednio powiązać wyników badań z zachowaniem organizmów, a mamy nadzieję, że mikrofluidyka i te bardziej behawioralne, klasyczne badania ekologiczne będą w stanie wnieść do gry.

Mamy świetny zespół i świetny zespół ludzi, którzy zajmują się genomiką bakterii morskich, a współpracując z nimi, mamy nadzieję, że będziemy w stanie połączyć te dwa fundamentalne pytania, aby lepiej zrozumieć, jakie bakterie znajdują się w oceanie i jaka jest ich rola w określaniu zdrowia oceanu i zdrowia planety.