Планктон је невидљиви покретач живота на Земљи. Ови микроскопски организми производе велики део кисеоника планете и чине основу ланца исхране океана. Они су такође запањујуће разнолики, са десетинама хиљада врста које су већ идентификоване и још много њих које чекају да буду откривене. Међу њима, протисти – сићушни једноћелијски организми – посебно су изузетни по свом еволуционом значају. Дуги низ година научници су могли да их проучавају само путем генетских података јер постојеће технике снимања нису могле да открију њихове сложене унутрашње структуре.
Сарадња у вези са пандемијом изазива откриће
Током пандемије ЦОВИД-19, вођа ЕМБЛ групе Гаутам Деи примио је Зоом позив од сарадника Омаје Дудина, који је тада водио истраживачку групу у ЕПФЛ-у. Дудин је управо успео да прилагоди нову методу снимања да визуализује унутрашњу организацију Ицхтхиоспореа (морски протиста уско повезан са животињама и гљивама). Овај пробој је превазишао дугогодишњу препреку: чврсте ћелијске зидове ове врсте.
Техника, позната као експанзиона микроскопија, првобитно је развијена на МИТ-у, а касније је прерађена у ултраструктурну експанзиону микроскопију (У-ЕкМ) од стране Паула Гицхарда и Виргиние Хамел на Универзитету у Женеви. Њихова побољшања су учинила зидове ћелија протиста пропусним, омогућавајући научницима да по први пут јасно посматрају његову унутрашњу архитектуру.
Мотивисани овим успехом, Дудин, Деи, Гуицхард и Хамел започели су дугорочну сарадњу. Три године касније, њихово партнерство је произвело невиђено знање о стотинама протистичких врста и поставило темеље за „планетарни атлас“ планктона.
Експедиција Траверсинг Еуропеан Цоастлинес (ТРЕЦ) коју води ЕМБЛ понудила је идеалну прилику за даље истраживање ових морских организама. Недавно објављено у Целлналази тима пружају детаљан увид у ћелијске структуре више од 200 врста планктона, посебно еукариота (организама чије ћелије садрже језгро везано за мембрану). Ово истраживање означава почетак ПланЕкМ, ТРЕЦ пројекта дизајнираног да мапира скривену структурну разноликост планктона користећи експанзиону микроскопију.
Истраживање морских микроба у невиђеним детаљима
У Росцоффу, Француска — једном од првих ТРЕЦ експедицијских локација за узорковање — Статион Биологикуе одржава једну од најсвеобухватнијих европских колекција морских микроорганизама. Очекујући само неколико десетина узорака, тим је затражио од менаџера Иана Проберта материјал за тестирање њихове технике. Уместо тога, добили су приступ преко 200 врста.
„Провели смо три дана и ноћи само поправљајући те узорке. Ово је била ризница коју нисмо могли пустити“, рекао је коаутор Феликс Микус, који је докторирао у Деи Гроуп-у, а сада је постдоктор у Дудиновој лабораторији на Универзитету у Женеви.
Како функционише експанзиона микроскопија
Експанзиона микроскопија, која ове године обележава своју 10. годишњицу, физички увећава биолошке узорке. Узорак – који садржи ћелије, ткива или једноћелијске организме – уграђен је у провидни гел који упија воду и шири се. Занимљиво је да унутрашње структуре ћелије остају нетакнуте и пропорционално се протежу, омогућавајући истраживачима да увећају узорак до 16 пута без употребе сочива велике снаге.
„Када се комбинује са редовним методама светлосне микроскопије, експанзиона микроскопија омогућава научницима да заобиђу стандардне баријере таласне дужине које ограничавају колико мала структура може да се реши помоћу светлосне микроскопије“, рекли су Гичард и Хамел.
Мапирање ћелијског скелета живота
Користећи узорке из Росцоффа и другу колекцију у Билбау, у Шпанији, тим је спровео једну од најсвеобухватнијих студија икада о цитоскелету – мрежи филамената која подржава и организује еукариотске ћелије. Фокусирали су се на микротубуле (шупље филаменте који помажу ћелијама да одрже облик, поделе и померају се) и центрине (протеине укључене у организовање микротубула).
„Успели смо да мапирамо карактеристике организације микротубула и центрина у многим различитим еукариотским групама“, објаснио је Хирал Шах, ЕИПОД постдокторски сарадник у ЕМБЛ-овим групама Деи и Сцхваб и коаутор студије. „Скала студије, са многим врстама које су окарактерисане у свакој групи, отвара могућност да се направи еволуциона предвиђања. На пример, динофлагелати, једна од најразноврснијих група пронађених у океанима широм планете, добро су представљени у нашој студији. Били смо у могућности да мапирамо присуство тубулина и центринских структура повезаних са кортексом флагела у овим или врстама.“
Откривање еволуционих образаца микроскопом
„У-ЕкМ трансформише начин на који истражујемо ултраструктуру протиста“, рекао је први аутор Армандо Рубио Рамос, постдокторски сарадник на Универзитету у Женеви. „Комбиновањем ове технике са високо пропусним сликама и упоредним анализама, можемо почети да декодирамо како се ћелијска архитектура диверзификовала кроз еволуцију. То је мост између молекуларних података и физичке организације живота на микроскопској скали.“
Резултати не само да осветљавају како су еукариотске ћелије организоване, већ такође нуде назнаке о еволуционом развоју њихових унутрашњих структура. Истраживање наглашава моћ експанзионе микроскопије као алата за проучавање чак и сложених узорака животне средине прикупљених директно из океана.
Ка планетарном атласу микроскопског живота
„Наше авантуре са експанзионом микроскопијом тек почињу“, рекао је Деи. „Ово је можда прва техника микроскопије високе резолуције која има потенцијал да одговара размерама и амбицијама великих пројеката геномике биодиверзитета, омогућавајући нам у блиској будућности да повежемо нове мултиомичке податке са ћелијском физиологијом на нивоу преко дрвета живота.“
Са Томасом Ричардсом са Универзитета Оксфорд који се придружио сарадњи, Деи и Дудин су обезбедили грант од 2 милиона ЦХФ Мооре фондације за наставак ширења истраживања.
„Следећи корак је да се селективно погледамо дубље у одређене врсте унутар ове широке колекције како бисмо одговорили на специфична питања, као што су разумевање како су се митоза и вишећелијска еволуирала и фенотипска разноликост која лежи у основи великих еволуционих прелаза“, рекао је Дудин.
