Die faszinierende Welt der Bakterien, die als Symbionten oder Parasiten in tierischen Wirten leben, bleibt Forschern oft ein Rätsel. Unter der Leitung von Prof. Dr. Manuel Liebeke tragen die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und das Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen zur Lösung dieses Rätsels bei, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Mikroben und ihrem Wirt erforschen. Es fehlt jedoch an Erkenntnissen darüber, was Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung tun.
Bakterien können oft nicht im Labor kultiviert werden, und Forscher müssen sich auf Informationen aus dem Bakteriengenom verlassen, die aus Umweltproben gewonnen werden, um theoretische Einblicke in den Stoffwechsel von Mikroorganismen zu gewinnen. Es fehlt jedoch an Erkenntnissen darüber, was sie in ihrer natürlichen Umgebung tun. Um dieses Rätsel zu lösen, begannen Wissenschaftler, das Metabolom von Bakterien zu erforschen – alles, was mit ihrem Stoffwechsel zu tun hat, einschließlich Metaboliten wie Zucker oder Fette.
In einer bahnbrechenden Studie entwickelte Liebekes Team eine Methode, um einzelne Bakterien zu identifizieren und gleichzeitig zu bestimmen, welche Metaboliten in den Zellen vorhanden sind, ohne die Bakterien im Labor zu kultivieren. Mit dieser Methode können sie untersuchen, wie Bakterien als symbiotische Unterbewohner, beispielsweise Muscheln, leben und überleben. Das Team analysierte Hunderte von Metaboliten auf einer Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter. Im September die Kieler und Bremer Forscher veröffentlicht ihre Ergebnisse in Naturprotokolle.
Ein eingefrorener Moment ermöglicht eine detaillierte Beobachtung
„Wir erstellen sozusagen eine Momentaufnahme der Bakterien bei der Arbeit, genau so, wie sie in ihrer natürlichen Umgebung, insbesondere in einer tierischen Zelle, aktiv sind“, erklärt Liebeke. „Und das mit einer beeindruckenden Auflösung von wenigen Mikrometern, etwa zehnmal dünner als ein menschliches Haar.“
Eine Besonderheit dieser Methode ist die Verwendung von schockgefrorenem Gewebe, das hauchdünn geschnitten wird. Anschließend verwenden die Forscher eine spezielle Massenspektrometrietechnik namens MALDI-MS-Bildgebung, um eine Momentaufnahme der chemischen Verbindungen in den Zellen zu erstellen.
Richtige Rückschlüsse aus den Bildern der Metaboliten zu ziehen, ist allerdings nur möglich, wenn man weiß, welche Bakterien diese produzieren oder nutzen. Um dieses Problem zu lösen, nutzen die Forscher außerdem die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), um einzelne Bakterienzellen in der Probe zu identifizieren und zu lokalisieren.
„Die Anwendung dieser Methode auf Wirts-Mikroben-Gemeinschaften wird uns viele spannende neue Einblicke in die chemische Kommunikation zwischen Organismen liefern“, sagte Patric Bourceau vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Hauptautor des Protokolls, das zur Anwendung der Methode entwickelt wurde.
Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Bakterien und ihren Interaktionen mit ihrem Wirt. Darüber hinaus bietet die hier vorgestellte Methode auch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für die Zukunft: Entwickelt am Max-Planck-Institut in Bremen, untersucht Liebekes neue Arbeitsgruppe an der CAU damit nun das menschliche Darmmikrobiom und seinen Einfluss auf den Stoffwechsel. Dies könnte uns beispielsweise dabei helfen, entzündliche Darmerkrankungen besser zu verstehen. Mit der Veröffentlichung eines detaillierten Protokolls steht die Anwendung der Technik nun auch anderen Forschern weltweit offen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anwendung von Mikroskopie und Metabolomik (dem Forschungsgebiet, das sich der Untersuchung von Metaboliten widmet) Einblicke in die funktionelle und chemische Ökologie der Wirt-Mikroben-Interaktionen bietet. Die stetigen Fortschritte in der MALDI-MSI-Technologie ermöglichen die Darstellung von Mikrobenkolonien, Biofilmen, einzelnen eukaryotischen Zellen und sogar bakteriellen Mikrokolonien. Heute steht die MALDI-MSI-Technologie kurz davor, Bilder einzelner Bakterienzellen liefern zu können. Das hier vorgestellte Protokoll bildet die Grundlage für die mikrometergenaue Analyse und das Verständnis metabolischer Wechselwirkungen.
Mehr Informationen:
Patric Bourceau et al., Visualisierung von Metaboliten und Mikroben mit hoher räumlicher Auflösung mittels MALDI-Massenspektrometrie-Bildgebung und In-situ-Fluoreszenzmarkierung, Naturprotokolle (2023). DOI: 10.1038/s41596-023-00864-1
Bereitgestellt von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel