Взгляд на дождевого червя в новом свете
Дождевые черви постоянно взаимодействуют с бактериями, грибами, растениями и мелкими беспозвоночными в почвенных экосистемах. Даже в их тканях обитают симбиотические микробы и мелкие паразиты, вызывающие внутренние метаболические реакции, такие как врожденный иммунитет. Чтобы раскрыть фундаментальные процессы, позволяющие формироваться и сохраняться симбиозам животных и микробов, необходимо изучать их метаболические взаимодействия in situ. Комбинируя новые методы визуализации, группа исследователей под руководством Бенедикта Гейера из Института морской микробиологии Макса Планка (MPIMM) в Бремене (Германия) смогла визуализировать разнообразие взаимодействий внутри дождевого червя.
Химия червя в 3D
Наше понимание химических взаимодействий между мелкими животными и микроорганизмами, живущими в их телах, крайне ограничено. Этот пробел в знаниях имеет методологическое происхождение: для изучения метаболических взаимодействий в симбиозе необходимо знать, кто и где в организме производит какой метаболит. Однако суть проблемы не только в визуализации распределения молекул на микрометровом уровне. Химические изображения также почти невозможно интерпретировать, не зная, является ли образец ткани здоровым, больным или зараженным полезными или патогенными микробами или даже животными паразитами.
Новая комбинация методов высокоразрешающей визуализации может предложить решение этой проблемы. «В нашем исследовании мы представляем химио-гисто-томографию (CHEMHIST) — специальный трехмерный подход к визуализации химии и анатомии миллиметровых животных и их паразитов на клеточном уровне», — говорит Гейер. Этот метод позволяет пространственно соотносить метаболиты с животным-хозяином и его микробными партнерами на микрометровом масштабе.
CHEMHIST сочетает химическую визуализацию метаболитов на основе MALDI масс-спектрометрии с микроанатомией того же животного, полученной с помощью микро-компьютерной рентгеновской томографии. Последняя является неинвазивным методом, позволяющим проводить 3D-визуализацию гистологии с субклеточным разрешением. Для визуализации метаболитов методы MALDI масс-спектрометрии стали современным инструментом, позволяющим визуализировать естественное распределение метаболитов в микрометровом масштабе.
«Этот прогресс позволил нам взять дождевого червя из окружающей среды и создать 3D-атлас его химических и физических взаимодействий с микроорганизмами, естественным образом присутствующими в его тканях», — говорит Мануэль Лиебеке, руководитель исследовательской группы «Метаболические взаимодействия» в MPIMM. «Нашей целью было также сделать CHEMHIST применимым к животным, взятым непосредственно из их естественной среды обитания, что может быть важно для исследований симбиоза». Разрешение CHEMHIST превосходит существующие аналогичные методы, разработанные для медицинских исследований на мышах, на два порядка величины. Это может открыть новые пути для исследований насекомых или кораллов — ключевых моделей для изучения симбиоза.
Целое больше суммы частей
Используя комбинацию различных методов in situ визуализации через CHEMHIST, исследователи обнаружили в дождевом черве метаболиты, которые могут пролить свет на то, как он химически защищается от паразитов и как эти паразиты, в свою очередь, защищаются от иммунного ответа червя. Однако, чтобы даже распознать, что данные химической визуализации являются метаболитами паразитов в ткани червя, была необходима 3D-анатомическая модель. Высокоразрешающий микро-компьютерный томограф в Немецком синхротроне в Гамбурге впервые позволил идентифицировать паразитов в ткани.
Важно отметить, что метаболические взаимодействия между животными и их микробами не ограничиваются симбиотическими тканями. Вдоль оси «кишечник-мозг» микробные метаболиты, производимые в кишечнике, могут влиять на ткани по всему организму хозяина, достигая даже мозга. Поэтому расширение корреляционной химической визуализации до 3D-подходов может иметь решающее значение для изучения распределения метаболитов, участвующих в симбиотических взаимодействиях, и демонстрации того, как химические сигналы микробов влияют на ключевые процессы в их хозяине.
«Поскольку я много лет специализируюсь на 3D-визуализации анатомии беспозвоночных, для меня было особенно интересно увидеть молекулы, скрытые за морфологическими структурами», — говорит Бернхард Рутенштайнер, руководитель секции Invertebrate Varia в Баварской государственной зоологической коллекции. Результаты исследования стали возможными благодаря междисциплинарному сотрудничеству, объединившему ученых в области микробиологии, зоологии, химии и физики. Стало ясно, что визуализация, такая как корреляционный 3D-атлас червя, облегчает научную коммуникацию данных. Исследовательская группа Лиебеке и Гейера в настоящее время применяет этот метод к глубоководным мидиям.