DIY-Laborplattform evaluiert neue Moleküle in Minuten

Pflanzen sind wahre Kraftwerke der molekularen Produktion. Im Laufe der Äonen haben sie sich so entwickelt, dass sie eine Vielzahl kleiner Moleküle produzieren – einige davon sind für den Menschen nützlich und wertvoll, andere können tödlich sein. Seit Jahren ist ein wissenschaftlicher Schnüffeltest für Wissenschaftler, die nach neuen Medikamenten suchen, eine gute Methode, nützliche Moleküle pflanzlichen Ursprungs von schädlichen zu unterscheiden: Man tupft ein wenig des Moleküls auf ein Ende einer Petrischale und lässt winzige Fadenwürmer (C. elegans) auf das andere Ende fallen. Dann wartet man ab, ob sich die chemisch empfindlichen Würmer auf die fragliche Verbindung zu- oder von ihr wegbewegen – ein Vorgang, der als Chemotaxis bezeichnet wird.

Diese „handwerkliche“ Methode ist quälend langsam. Die Untersuchung eines einzigen neuen Moleküls kann zwei Stunden dauern. Doch nun hat ein Team am Wu Tsai Neurosciences Institute der Stanford University unter der Leitung von Miriam Goodman, Professorin für Molekular- und Zellbiologie, Hardware und Software entwickelt, die einen handelsüblichen Flachbettscanner in eine Laborplattform verwandeln, die Dutzende von Chemotaxisproben in Minutenschnelle auswerten kann. Die Plattform kann 20 Platten gleichzeitig vorbereiten und vier Platten auf einen Scanner legen, um 80 chemische Untersuchungen in etwa einer Stunde durchzuführen.

„In der Zeit der Handwerkskunst brauchte jemand, der wirklich geschickt war, alle Vorbereitungen getroffen hatte und alle Materialien hatte, möglicherweise zwei Wochen, um so viele Tests durchzuführen“, sagte Goodman. Das Team beschreibt die Komponenten seiner DIY-Plattform und bietet den Open-Source-Code in einer neues Papier im Journal PLOS Biologie.

Die große Idee

Es klingt einfach, aber die Entwicklung der Plattform war für das Team, zu dem auch die Co-Forscher Seung „Sue“ Y. Rhee, Direktorin des Plant Resilience Institute an der Michigan State University (ehemals Carnegie Institution for Science in Stanford), und Thomas R. Clandinin, Professor für Neurobiologie in Stanford, gehörten, alles andere als einfach. Das Trio und seine Labore brauchten mehr als fünf Jahre, um ihren Ansatz von der Idee bis zur Veröffentlichung zu entwerfen, zu entwickeln, zu testen und zu bewerten.

Das Projekt mit dem Namen „Neuro-Plant Initiative“ erforderte Experten in den Bereichen Neurowissenschaften, Tier- und Pflanzenbiologie, Laborwissenschaften, Maschinenbau und Informatik. Das Team hofft nun, dass die Plattform allgegenwärtig wird und zur schnellen Entdeckung vielversprechender neuer Moleküle für den Einsatz in medizinischen, biologischen, landwirtschaftlichen und neurowissenschaftlichen Laboren führt, die derzeit noch auf handwerkliche Methoden angewiesen sind.

„In der Nematodenforschungsgemeinschaft gibt es weltweit etwa 1.200 Labore“, bemerkte Goodman. Die Plattform könne sich als nützlich erweisen, um andere Arten von Chemikalien zu entdecken oder herauszufinden, welche Bakterienarten bakterienfressende Nematoden anziehen oder abwehren, erklärte sie.

Unzählige Möglichkeiten

Co-Autorin Sue Rhee, MSU-Stiftungsprofessorin in den Abteilungen Biochemie und Molekularbiologie, Pflanzenbiologie sowie Pflanzen-, Boden- und Mikrobiologie, untersucht, wie Pflanzen unzählige Verbindungen herstellen und diese zur Kommunikation mit ihrer Umwelt nutzen. Rhee sagt, dass wir über die Hunderttausende von Verbindungen, die Pflanzen produzieren, sehr wenig darüber wissen, wie sie in der Natur hergestellt oder genutzt werden.

„Ein seit langem bestehendes Dogma ist, dass sie zur Abwehr von Schädlingen oder zur Anlockung von Bestäubern eingesetzt werden, aber nur eine kleine Anzahl dieser Verbindungen hat eine bekannte Funktion“, sagte Rhee. „Mithilfe dieses ausgeklügelten Hochdurchsatz-Chemotaxis-Tests hoffe ich, dass wir beginnen können, diese chemischen Geheimnisse im großen Maßstab zu entschlüsseln.“

Co-Autor Thomas Clandinin ist Neurobiologe und erforscht, wie Tiere bestimmte sensorische Reize nutzen, um geeignete Verhaltensweisen auszuwählen. Sein Labor hat zur Entwicklung einer Methode beigetragen, mit der Würmer in Flüssigkeiten stabilisiert werden können. Dies ermöglicht automatisierte Methoden zur Abgabe von Würmern in dem erforderlichen Umfang, um von der handwerklichen Methode wegzukommen.

„Die Entwicklung dieser automatisierten Methode zur Untersuchung des Chemotaxisverhaltens im großen Maßstab wird eine Vielzahl neuer Möglichkeiten zur Erforschung der vielfältigen Verbindungen zwischen Gerüchen und ihren Rezeptoren eröffnen“, sagte Clandinin.

Nächste Schritte

Als nächstes hofft Goodman, ihre Erfindung in ihrem eigenen neurowissenschaftlichen Labor einsetzen zu können, um die neuronalen und chemischen Grundlagen der Fähigkeit der Fadenwürmer zu verstehen, gute von schlechten Molekülen zu unterscheiden. Sie arbeitet derzeit mit Forschern der Harvard University zusammen, um mithilfe von Kalziumbildgebung die Aktivität aller olfaktorischen – oder geruchsempfindlichen – Neuronen des Wurms aufzuzeichnen, während er sich auf ein Molekül zubewegt oder von ihm weg. Im Rahmen dieser Arbeit plant Goodman, ihre Testplattform zu nutzen, um Verhaltensforschung in größerem Maßstab durchzuführen, indem sie einzelne Neuronen im Nervensystem der Würmer manipuliert und schließlich Verbindungen den Rezeptoren zuordnet.

Goodman weist darauf hin, dass der Geruchstest der Fadenwürmer eine Fähigkeit ist, die viele Tiere, darunter auch Menschen, besitzen. Sie hofft, ihre Erkenntnisse aus der Neurowissenschaft auf dieses faszinierende Thema anwenden zu können. Sie ist überzeugt, dass diese Arbeit durch diese neue Plattform beschleunigt wird. Ob bei Würmern oder Menschen, sagt sie, die chemischen Rezeptoren im olfaktorischen System, die an diese Moleküle binden, halten genau dieselbe Chemikalie fest.

„Die Form dieser Bindungstaschen sollte bei beiden Lebewesen ähnlich sein. Selbst wenn sie unterschiedlich sind, wäre es hilfreich, das zu wissen“, sagte Goodman. „Das ist eine Forschung, die mich wirklich begeistert.“