Дождевые черви испытывают постоянные химические взаимодействия с бактериями, грибами, растениями и мелкими беспозвоночными в почвенных экосистемах. Даже в своих тканях дождевые черви содержат симбиотических микробов и паразитов мелких животных, которые вызывают внутренние метаболические реакции, такие как врожденный иммунитет. Чтобы выявить фундаментальные процессы, которые позволяют формироваться и сохраняться симбиозам животных и микробов, мы должны изучить их метаболические взаимодействия in situ. Комбинируя новые методы визуализации, группа исследователей во главе с Бенедиктом Гайером из Института морской микробиологии им. Макса Планка (MPIMM) в Бремене, Германия, преуспела в визуализации захватывающего разнообразия взаимодействий, происходящих внутри дождевого червя. Это позволяет нам наблюдать за ними в совершенно новом свете.
Химия червя в 3D
Наше понимание химических взаимодействий между мелкими животными и микроорганизмами, живущими в их телах, крайне ограничено. Этот пробел в знаниях берет свое начало в методической проблеме: для изучения метаболических взаимодействий в симбиозе мы должны знать, кто и какой метаболический продукт производит в организме. Однако суть этой проблемы заключается не только в том, чтобы представить, как молекулы распределяются в микрометровом масштабе. Кроме того, химические изображения практически невозможно интерпретировать, не зная, является ли образец ткани здоровым, больным или заражен полезными или патогенными микробами или даже паразитами животных.
Новая комбинация методов визуализации с высоким разрешением может предложить решение этой проблемы, как теперь показывает исследовательская группа. «В нашем исследовании мы представляем химико-гистотомографию, специальный подход к трехмерной визуализации химии и анатомии миллиметровых животных и их паразитов на клеточном уровне», - говорит Бенедикт Гейер, первый автор статьи. «Этот метод предлагает новую стратегию для визуализации наиболее фундаментальных процессов - метаболических взаимодействий - в симбиозах мелких животных. Он позволяет нам пространственно соотнести метаболические продукты с животным-хозяином и его микробными партнерами в микрометровом масштабе».
Химо-гисто-томография (CHEMHIST) сочетает химическую визуализацию метаболитов на основе масс-спектрометрии MALDI с микроанатомией того же животного, которая записывается с помощью микрокомпьютерной рентгеновской томографии. Последний является неинвазивным подходом, позволяющим получить рентгеновское изображение трехмерной гистологии и может достигать субклеточного разрешения. Для визуализации метаболитов методы масс-спектрометрии MALDI стали современным инструментом для визуализации естественного распределения метаболитов в микрометровом масштабе. Это позволяет проводить пространственную привязку химических профилей к месту их производства и, возможно, к их производителю.
«Это достижение позволило нам взять дождевого червя из окружающей среды и создать трехмерный атлас его химических и физических взаимодействий с микроорганизмами, естественным образом присутствующими в его тканях», - говорит Мануэль Либеке, руководитель Исследовательской группы метаболических взаимодействий в MPIMM и старший автор исследования. «Однако нас интересовала не только биология дождевого червя. Наша цель состояла в том, чтобы сделать CHEMHIST применимым к животным, взятым непосредственно из их естественной среды обитания, что может иметь важное значение для исследования симбиоза». Разрешение CHEMHIST превосходит существующие аналогичные методы, разработанные для медицинских исследований на мышах, на два порядка. Это также может открыть новые возможности для исследования насекомых или кораллов, которые являются ключевыми моделями для исследования симбиоза как на суше, так и в воде.
Целое больше, чем сумма частей
Используя комбинацию различных методов визуализации in situ с помощью CHEMHIST, исследователи из MPIMM в Бремене обнаружили метаболиты - продукты метаболизма - в дождевых червях, которые могут пролить свет на то, как они химически защищаются от паразитов и как они, в свою очередь, защищают себя от иммунного ответа дождевого червя. Однако даже для того, чтобы признать, что данные химического изображения были метаболитами паразитов в тканях дождевых червей, без трехмерной анатомической модели не обойтись. Микрокомпьютерный томограф высокого разрешения на Немецком электронном синхротроне в Гамбурге впервые позволил идентифицировать паразитов в тканях.
Примечательно, что метаболические взаимодействия между животными и их микробами не ограничиваются симбиотическими тканями. Вдоль оси кишечник-мозг микробные метаболиты, образующиеся в кишечнике, могут воздействовать на ткани хозяина, даже достигая головного мозга. Таким образом, расширение коррелятивной химической визуализации в трехмерных подходах может иметь решающее значение для захвата распределения метаболитов, участвующих в симбиотических взаимодействиях, и, таким образом, показать, как химические сигналы от микробов могут влиять на важные процессы в их хозяине. Кроме того, этот метод можно использовать по-разному: исследовательская группа Либеке и Гейера в настоящее время применяет его к глубоководным мидиям.
«Поскольку я много лет специализировался на 3D-визуализации анатомии беспозвоночных, мне было особенно интересно увидеть молекулы, скрытые за морфологическими структурами», - говорит Бернхард Рутенштайнер, руководитель секции Invertebrate Varia в Баварской Государственный сборник зоологии. Результаты исследования стали возможными благодаря междисциплинарному сотрудничеству, объединившему ученых из области микробиологии, зоологии, химии и физики. Быстро стало ясно, что визуализация, такая как соответствующий трехмерный атлас червя, облегчает научную передачу данных.