Исследования Бактериальные Хемотаксис Использование Microfluidics - Интервью

Меня зовут Роман Стокер. Я адъюнкт-профессор второго года работы в Лаборатории Ральфа Парсонса, которая входит в состав кафедры гражданского и экологического строительства здесь, в MIT. Я родом из Италии и изучал механику жидкости.

Поэтому мое основное образование лежит в области физических наук, но последние два, а фактически три года я больше занимаюсь вопросами экологии и биологии. Два года назад я начал разрабатывать микрофлюидные системы для изучения проблем микробной экологии; используя эти микроустройства, мы можем исследовать типичные экологические вопросы на микронном уровне. Наша работа в первую очередь сосредоточена на подвижных организмах — тех, которые способны плавать в океане и отслеживать источники пищи.

В частности, бактерии выработали весьма изобретательные способы передвижения, и здесь у меня есть небольшая демонстрация. Тело бактерии представляет собой практически эллипсоид. Представьте, что его размер составляет около двух микрон.

На заднем конце бактерии расположен один или несколько жгутиков. Эти жгутики представляют собой спиралевидные структуры, которые бактерия может вращать. Это вращение создает тягу, которая позволяет бактерии фактически плыть вперед.

Существует несколько способов, с помощью которых бактерии фактически делают это, и разные стратегии плавания, что и является одним из предметов нашего исследования. Бактерии плавают в океане, чтобы иметь возможность более эффективно использовать источники питательных веществ, и это часть смены парадигмы, произошедшей за последние 15 или 20 лет. До этого считалось, что океан представляет собой гомогенный «суп» из питательных веществ на масштабах от нескольких метров до десятков метров, и в таком представлении об океане считалось, что подобные мелкомасштабные организмы, такие как бактерии, не играют существенной роли и просто пассивно переносятся океаническими течениями.

Однако 10 или 15 лет назад стало понятно, что в океане происходят совершенно иные процессы и что на самом деле эти мелкоразмерные организмы являются одними из важнейших факторов, определяющих здоровье океана и, следовательно, даже такие вещи, как глобальный климат. Это обусловлено двумя причинами. Первая причина заключается в том, что они встречаются повсюду в океане, и их совокупная биомасса значительно превышает биомассу всех остальных морских организмов.

Вторая и, возможно, самая фундаментальная причина заключается в том, что эти мелкоразмерные организмы, используя источники питательных веществ, и в частности углерод, могут перерабатывать эти вещества для других компонентов пищевой сети, тем самым существенно интенсифицируя иные аспекты и части трофической цепи в океане. В рамках этого процесса наша работа сосредоточена прежде всего на взаимодействии между плавающими организмами и пятнами питательных веществ. Бактерии не только способны передвигаться, но и могут воспринимать градиенты концентрации питательных веществ.

То есть они способны определять, когда условия среды улучшаются, и плыть вдоль градиента питательных веществ. Этот процесс называется хемотаксисом. Хемотаксис — это способность воспринимать химический градиент и направленно перемещаться в сторону его источника.

Именно этим мы занимаемся в нашей лаборатории; микрофлюидика представляет собой инструмент, позволяющий нам исследовать хемотаксис и плавательные способности бактерий, а затем экстраполировать и масштабировать эти данные, чтобы определить, насколько значима их роль в поддержании здоровья океана. За последние полтора года мы создали микроустройства, которые позволяют подвергать бактерии воздействию различных условий, типичных для океана. Как я уже упоминал ранее, это могут быть типичные локальные скопления питательных веществ, а также, например, турбулентность.

То, что нам удалось выяснить на данный момент, заключается в том, что морские бактерии, по всей видимости, очень эффективно адаптировались к использованию этих локальных скоплений питательных веществ и способности противостоять за счет плавания самому разным условиям турбулентности в океане. Это делает их очень приспособленными к выживанию в океане, который с их точки зрения обычно представляет собой «пустыню» в плане питательных веществ, и в котором они встречаются лишь в разрозненных и крайне редких очагах в трехмерном столбе воды; при этом бактерии способны плавать, преодолевать турбулентность и, следовательно, продолжать поиск источников питания даже в условиях сильного движения окружающей воды. Инициатива «Earth system» представляет собой очень интересный проект, объединяющий специалистов из различных дисциплин, которые стремятся лучше понять, как на самом деле функционирует наша планета. Вкратце, цель инициативы «Earth system» состоит в том, чтобы попытаться применить к масштабам всей планеты те же подходы, которыми мы уже давно пользуемся в своих исследованиях.

Для человека, который заботится о своем здоровье, в наши дни особенно важно понимать состояние здоровья планеты, например, из-за опасений, связанных с глобальным потеплением и парниковыми газами; многие инициативы в рамках изучения систем Земли направлены именно на то, чтобы лучше понять состояние здоровья планеты. Наша работа вписывается в этот контекст, так как мы изучаем один из компонентов углеродного цикла в океане. В частности, мы пытаемся понять, как мелкомасштабные организмы, а именно плавающие бактерии, о которых я упоминал ранее, могут влиять на эти крупномасштабные циклы, что сказывается на глобальном углеродном цикле в океане и, следовательно, на глобальном углеродном цикле во всем мире, включая атмосферу.

Вся наша работа в этой области до настоящего момента стала возможной и фактически была инициирована одним ключевым технологическим достижением — микрофлюидикой. За последние 10 лет микрофлюидика превратилась в действительно интересный и эффективный инструмент, особенно в районе Бостона и Кембриджа. Создателем технологии микрофлюидики в её нынешнем виде является профессор Джордж Уайтсайдс из Гарварда, который представил метод мягкой литографии и использование PDMS для изготовления микроустройств.

С тех пор применение микрофлюидики начало расти по экспоненте в целом ряде областей. От химической инженерии до наук о здоровье — мы начали применять этот метод в микробной экологии для решения ряда проблем малого масштаба, связанных с движением микроорганизмов в океане. Вкратце, изучать эти процессы непосредственно в океане крайне сложно или даже невозможно из-за их малых масштабов и неизбежной изменчивости океанической среды; мы до сих пор не способны визуализировать бактерии размером около одного микрона непосредственно in situ в океане. В то же время предпринимались попытки моделировать эти процессы, например, численно или теоретически, но, поскольку речь идет о биологии, приходится неизбежно опираться на определенные допущения.

Например, вам придется делать предположения о стратегии плавания бактерии или о стратегии хемотаксиса бактерии, и поэтому для достижения прогресса в этой области необходимы реальные эксперименты. Микрофлюидика позволяет переносить в лабораторию небольшие области, малые части океана, и одновременно подвергать бактерии и микроорганизмы воздействию реалистичных условий окружающей среды, как с точки зрения питательных веществ, так и с точки зрения потоков. В то же время, используя видеомикроскопию и трекинг клеток, мы можем изучать поведение отдельных бактерий в очень строго контролируемом режиме, что позволяет продвинуться в решении этих вопросов так, как это было бы невозможно около 10 лет назад, и все это благодаря технологическому прогрессу, в частности, микрофлюидике.

Я вижу два основных вызова, которые стоят перед нами в этой области. Первый из них, как я уже упоминал ранее, заключается в том, чтобы в определенный момент перенести эти вопросы в условия открытого океана. Необходимость в конечном итоге обратиться к океану обусловлена стремлением зафиксировать всю вариативность, присущую этим процессам.

Например, мы до сих пор не имеем представления о том, что на самом деле вымывается из оседающей частицы, какие питательные вещества присутствуют и к каким химическим соединениям бактерии проявляют хемотаксис в лабораторных условиях. Мы можем изучать лишь самые простые из этих условий, однако в океане на самом деле происходит совокупность сложных и очень изменчивых процессов, которые нам в конечном итоге необходимо исследовать непосредственно in situ. Это представляет собой серьезную проблему с точки зрения отбора проб, визуализации, а также проведения химического и биологического анализа в масштабах, которые, как я уже несколько раз упоминал, составляют всего лишь несколько микрометров, а в терминах объема — пиколитры.

Вторая проблема, которая, на мой взгляд, решается проще, заключается в визуализации поведения в трехмерном пространстве. Всё, что мы сейчас делаем в лаборатории, ограничено двумя измерениями. Мы используем традиционную микроскопию для визуализации траекторий и накопления микроорганизмов, но мы возлагаем большие надежды на метод, известный как цифровая голография, который, возможно, в течение трех-пяти лет даст нам возможность отслеживать эти процессы в трех измерениях и, следовательно, более достоверно и реалистично описывать экологию в ближайшие пять лет.

Помимо попыток перейти к трехмерному отбору проб и, возможно, предпринять первые наивные шаги по применению методов отбора проб в океане, мы определенно хотим связать эти исследования с текущими усилиями по изучению геномики данных организмов. В частности, в рамках инициативы по изучению систем Земли прилагаются значительные усилия для понимания генетического состава и вариабельности генетики этих бактерий в естественной среде. В то же время геномике не хватает возможности напрямую связать полученные результаты с поведением организмов, и именно это, как мы надеемся, смогут обеспечить микрофлюидика и подобные поведенческие, классические экологические исследования.

У нас есть отличная база и прекрасная команда специалистов, изучающих геномику морских бактерий, и благодаря сотрудничеству с ними мы надеемся связать эти два фундаментальных вопроса, чтобы лучше понять, какие бактерии обитают в океане и какова их роль в определении здоровья океана и здоровья планеты в целом.