Mikroben gehören vielleicht zu den kleinsten Lebewesen auf der Erde, aber Bioimaging zum Verständnis der Chemie, die diese Organismen antreibt, könnte wichtige Hinweise auf die Feinheiten der Genfunktion und die Gesundheit des Planeten liefern. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler lange nach Möglichkeiten gesucht, Gespräche zwischen lebenden Mikroben in ihrer Umgebung zu belauschen.
Dies war außerordentlich schwierig, zum Teil, weil Mikroben mithilfe von Molekülen anstelle von Wörtern kommunizieren. Konversationen zu entschlüsseln bedeutet, kleine, spezifische und sich schnell verändernde Moleküle, sogenannte Metaboliten, zu identifizieren, etwas, das selbst die leistungsstärksten Instrumente nur schwer erreichen können. Aber ein Forscherteam des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, kontinuierlich ein Bioimaging-Instrument der nächsten Generation zu entwickeln, das Fortschritte in Richtung dieses Ziels macht.
Die Chemical Dynamics Initiative (CDi), eine interne PNNL-Investition, unterstützte den PNNL-Chemiker Patrick El Khoury und sein Team bei der Entwicklung der Technologie zur Messung von Phänomenen im Quantenbereich. Hier bildete das Team subatomare Energiewellen namens Phononen ab, wie sie sich in einer einzigen Billionstelsekunde bildeten, schlugen und auflösten.
„Ähnliche Technologien können verwendet werden, um Phononen und Metaboliten im realen Raum und in Echtzeit abzubilden“, sagte El Khoury. „Die grundlegenden Fortschritte, die in beiden Bereichen erforderlich sind, umfassen eine Herausforderung, die eines nationalen Labors würdig ist, und fortgesetzte Investitionen.“
Jetzt bringen Forscher die Technologien auf die nächste Stufe, indem sie Bioimaging verwenden, um Metaboliten zu kartieren, die von lebenden Mikroben ausgetauscht werden.
Bioimaging, um Flüstern in einer Menschenmenge herauszufischen
Der Bioimager ist als BIGTUNA bekannt, kurz für BioImaginG Technology Using Nano-optical Approach. Der Schlüssel zu BIGTUNA sind seine vielfältigen optischen Fähigkeiten, die jeweils ergänzende Informationen über die Position und Zusammensetzung von Molekülen in einer Studienprobe liefern. Viele Laserquellen konzentrieren sich auf die Spitze einer sehr scharfen Nadel in Nanogröße. Die Forscher positionieren die Nadelspitze in dem Probenbereich, den sie untersuchen möchten, und verwenden dann das auf die Nadelspitze fokussierte Licht, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Probe zu messen. Dadurch identifizieren Forscher Moleküle und verstehen, wie sie interagieren.
Chemische Bioimaging mit Licht wird seit hundert Jahren durchgeführt, aber noch nie in diesem molekularen Maßstab.
„Einige Methoden beleuchten einen relativ großen Bereich, aber diese Fernfeldansätze sind wie das Zuhören einer Menschenmenge und die Erwartung, einzelne Gespräche zu verstehen“, sagte der PNNL-Chemiker Scott Lea. Um diese Herausforderung zu bewältigen, konzentrierten sich die Forscher auf die Kombination einer breiten Palette von Nahfeldtechniken, um die maximale Information in einem Bereich zu erfassen und zu charakterisieren, der nur wenige Moleküle klein ist.
„Wenn wir nicht mehrere Datenströme haben, die von mehreren Techniken stammen, erhalten wir nur Teilinformationen“, sagte El Khoury. „Und zusätzlich zur Entwicklung der Techniken haben wir unser Verständnis der optischen Auswahlregeln entwickelt, um die Informationen, die wir von einer Probe in einem Aufbau erhalten, zu maximieren.“
In der jüngsten Iteration dieses Projekts haben die Forscher auf einen größeren Bereich herausgezoomt, obwohl er immer noch nur ein Tausendstel der Dicke einer Haarsträhne ist. In dieser etwas größeren Entfernung identifizierten sie die vielversprechendsten Ansätze, um Informationen über die Muster molekularer Bindungen und die Verteilung von Elektronen zu erfassen. Diese neuen nanooptischen Messungen adressieren eine viel kleinere Anzahl von Molekülen; Daher müssen die Forscher weiterhin neue Theorien entwickeln, die nanoskopische Wechselwirkungen von Licht und Materie beschreiben.
Die Kombination dieser konzeptionellen und technologischen Entwicklungen wird es den Forschern ermöglichen, über Modellsysteme hinauszugehen, die sie mit frühen Inkarnationen von BIGTUNA untersucht haben. Die chemischen Signale in diesen Modellsystemen waren viel stärker als die chemischen Signale der an der mikrobiellen Kommunikation beteiligten Metaboliten. Biologische Proben haben nicht nur schwächere Signale, sondern sind auch anfällig für Schäden durch Licht, weshalb der nicht-invasive Ansatz von BIGTUNA es ideal für die Entwicklung für Bioimaging-Anwendungen macht. Die Einbeziehung modernster Daten und Rechentechniken der PNNL-Datenwissenschaftler Sarah Akers und Edo Aprà wird dazu beitragen, zu automatisieren, wo und wie das Instrument die Erforschung mit der Empfindlichkeit eines lebenden Systems in Einklang bringt.
Bioimaging, um sich auf sprechende Mikroben einzustellen
Als ersten Ausflug in die Biologie konzentrieren die Forscher die Bioimaging-Leistung von BIGTUNA auf eine Gemeinschaft von symbiotischen Mikroben, die in Tiefseesedimenten leben. Eine Mikrobe reduziert Schwefel, die andere oxidiert Methan, ein starkes Treibhausgas.
Bisherige Ansätze zur Aufklärung mikrobieller Interaktionen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Identifizierung einflussreicher Gene oder auf die Untersuchung isolierter Enzyme und Signalwege. Die Ansätze umfassen häufig das Fixieren, Einfrieren oder Kombinieren des biologischen Systems. Diese Ansätze verlieren jedoch zeitabhängige oder raumspezifische Details. Und die Forscher können den Fluss von Metaboliten nicht betrachten, um ein vorhersagendes Verständnis dafür zu erhalten, wie und warum Mikroben interagieren.
Trotzdem hat die PNNL-Mitarbeiterin und CalTech-Geologin Victoria Orphan Theorien darüber, wie diese symbiotischen Mikroben Metaboliten teilen. Die Biobildgebung mit BIGTUNA könnte die erste Nahaufnahme der Metaboliten in Aktion liefern, da das Instrument Licht durch die Probe sendet und misst, was absorbiert oder gestreut wird. Forscher verwenden die Informationen, um Metaboliten zu identifizieren und eine detaillierte Aufzeichnung der mikrobiellen interzellulären Kommunikationswege zu erstellen. Dieses Wissen wiederum könnte den Forschern helfen zu verstehen, inwieweit Mikroben auf Umweltveränderungen reagieren.
Eine neue Generation von Nanooptik
„Die Möglichkeiten von BIGTUNA gehen weit über den Bereich der Biobildgebung hinaus“, sagte Peter Sushko, Chefwissenschaftler von CDi. „Da dieses äußerst anpassungsfähige Instrument detaillierte Informationen zur Beschreibung von Atombewegungen und elektronischen Prozessen erhalten kann, wird es bei der Suche nach Antworten auf ein breites Spektrum von Fragen nützlich sein, die auch für Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler von Interesse sind.“
Mögliche Anwendungen umfassen Quantenmaterialien, Katalyse und menschliche Gesundheit, zusätzlich zu den aktuellen Arbeiten an mikrobiellen Systemen. In diesem Bereich könnten geplante zukünftige Entwicklungen Umgebungskontrollen beinhalten, um den Ansatz weiter zu verallgemeinern.
Ein Teil der Blaupause für BIGTUNA wurde unter entworfen CDi von PNNLeine fünfjährige interne Investition in Fähigkeiten, um die Entwicklung komplexer chemischer Systeme in realen oder betrieblichen Umgebungen besser zu verstehen und vorherzusagen.