Ένα τεχνολογικό άλμα στην απεικόνιση των μικροοργανισμών υπόσχεται να αποκαλύψει, με πρωτοφανή λεπτομέρεια, τον αθέατο κόσμο που κινεί τη θαλάσσια ζωή. Μια διεθνής ομάδα ερευνητών, με επικεφαλής το European Molecular Biology Laboratory (EMBL), χρησιμοποιεί μια επαναστατική τεχνική μικροσκοπίας για να εξερευνήσει τη δομή και την εξέλιξη των πλαγκτονικών ειδών, των μικροσκοπικών, αλλά καθοριστικών «μηχανών» του πλανήτη.
Τα πλαγκτόν αποτελούν την αόρατη κινητήρια δύναμη των ωκεανών. Παράγουν μεγάλο μέρος του οξυγόνου που αναπνέουμε και βρίσκονται στη βάση σχεδόν κάθε θαλάσσιας τροφικής αλυσίδας. Ωστόσο, πίσω από αυτόν τον οικολογικό ρόλο κρύβεται μια απίστευτη ποικιλία μορφών ζωής, δεκάδες χιλιάδες είδη έχουν ήδη αναγνωριστεί, ενώ αμέτρητα άλλα παραμένουν άγνωστα. Ανάμεσά τους, οι μονοκύτταροι πρωτίστες ξεχωρίζουν ως εξελικτικοί κρίκοι ανάμεσα στα φυτά, τα ζώα και τους μύκητες.
Για χρόνια, οι επιστήμονες μπορούσαν να μελετήσουν αυτούς τους οργανισμούς μόνο μέσω του DNA τους. Οι υπάρχουσες τεχνικές απεικόνισης δεν επέτρεπαν να «δει» κανείς μέσα στα κύτταρά τους. Αυτό άλλαξε όταν, μέσα στην περίοδο της πανδημίας, μια συνεργασία μέσω Zoom οδήγησε σε μια αναπάντεχη ανακάλυψη.
Ο Gautam Dey του EMBL έλαβε ένα τηλεφώνημα από την Omaya Dudin, τότε ερευνήτρια στο EPFL. Η Dudin είχε μόλις πετύχει να εφαρμόσει μια νέα τεχνική μικροσκοπίας για να παρατηρήσει το εσωτερικό ενός θαλάσσιου πρωτίστη, του ιχθυόσπορου, ενός οργανισμού με σκληρό κυτταρικό τοίχωμα που μέχρι τότε αποτελούσε «μαύρο κουτί» για την επιστήμη.
Η τεχνική αυτή, γνωστή ως μικροσκοπία επέκτασης, είχε αρχικά αναπτυχθεί στο MIT και αργότερα εξελίχθηκε σε μικροσκοπία επέκτασης υπερδομής (U-ExM) από τους Paul Guichard και Virginie Hamel στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. Οι βελτιώσεις τους κατέστησαν δυνατή τη διείσδυση των χρωστικών ουσιών μέσα στα κύτταρα και, για πρώτη φορά, την καθαρή απεικόνιση της εσωτερικής τους αρχιτεκτονικής.
Η επιτυχία αυτή άνοιξε τον δρόμο για μια μακροχρόνια συνεργασία μεταξύ Dudin, Dey, Guichard και Hamel. Τρία χρόνια μετά, η ομάδα τους έχει δημιουργήσει τη μεγαλύτερη βάση δεδομένων μικροσκοπικών εικόνων θαλάσσιων πρωτίστων στον κόσμο, ένα πρώτο βήμα προς τη δημιουργία ενός παγκόσμιου «άτλαντα» του μικροσκοπικού θαλάσσιου κόσμου.
Η έρευνα συνδέεται με την αποστολή TREC (Traversing European Coastlines), ένα φιλόδοξο πρόγραμμα του EMBL που χαρτογραφεί τη βιοποικιλότητα των ευρωπαϊκών ακτών. Στο Roscoff της Γαλλίας, όπου στεγάζεται μια από τις μεγαλύτερες συλλογές θαλάσσιων μικροοργανισμών, η ομάδα περίμενε να λάβει λίγες δεκάδες δείγματα για δοκιμές. Αντ’ αυτού, ο υπεύθυνος της συλλογής, Ian Probert, τους παρείχε περισσότερα από 200 είδη.
«Περάσαμε τρεις μέρες και νύχτες επεξεργαζόμενοι τα δείγματα. Ήταν ένας πραγματικός θησαυρός που δεν μπορούσαμε να αφήσουμε να χαθεί», θυμάται ο Felix Mikus, εκ των συγγραφέων της μελέτης, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cell.
Η ομάδα χρησιμοποίησε την U-ExM για να παρατηρήσει λεπτομέρειες του κυτταροσκελετού, το δίκτυο από ινίδια που στηρίζει κάθε κύτταρο και οργανώνει τις εσωτερικές του λειτουργίες. Μελετώντας μικροσωληνίσκους και πρωτεΐνες, οι ερευνητές χαρτογράφησαν τις διαφορές στην οργάνωση αυτών των δομών μεταξύ εκατοντάδων ειδών.
Η μικροσκόπια επέκτασης λειτουργεί με έναν σχεδόν ποιητικό τρόπο: τα βιολογικά δείγματα ενσωματώνονται σε ένα διαφανές υδροτζέλ που απορροφά νερό και «φουσκώνει», διατηρώντας όμως την εσωτερική δομή αναλογικά άθικτη. Έτσι, χωρίς τη χρήση υπερ-ισχυρών φακών, οι επιστήμονες μπορούν να δουν τις λεπτομέρειες ενός κυττάρου έως και 16 φορές μεγαλύτερες από το φυσικό τους μέγεθος.
Όπως εξηγούν οι Guichard και Hamel, η τεχνική αυτή επιτρέπει στους ερευνητές να ξεπερνούν τα φυσικά όρια που επιβάλλει το μήκος κύματος του φωτός, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στη βιοαπεικόνιση.
Τα αποτελέσματα της μελέτης δεν προσφέρουν απλώς εικόνες απαράμιλλης ομορφιάς, αλλά και ένα νέο εργαλείο για την κατανόηση της εξέλιξης. «Με την U-ExM μπορούμε να δούμε πώς διαφοροποιήθηκε η κυτταρική αρχιτεκτονική μέσα στον χρόνο», εξηγεί ο Armando Rubio Ramos από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης. «Είναι σαν να γεφυρώνουμε το χάσμα ανάμεσα στα γενετικά δεδομένα και στη φυσική μορφή της ζωής σε μικροσκοπική κλίμακα».
Η έρευνα επιτρέπει πλέον τη σύγκριση μεταξύ διαφορετικών ομάδων ευκαρυωτικών οργανισμών, αποκαλύπτοντας μοτίβα που υποδεικνύουν πώς εξελίχθηκαν βασικές κυτταρικές λειτουργίες, όπως η διαίρεση ή η κίνηση.
«Οι δυνατότητες αυτής της τεχνικής μόλις αρχίζουν να φαίνονται», σημειώνει ο Dey. «Για πρώτη φορά, η μικροσκοπία μπορεί να σταθεί στο ίδιο επίπεδο με τα μεγάλα προγράμματα γονιδιωματικής, συνδέοντας τα δεδομένα της βιολογίας με την ίδια τη φυσική δομή των οργανισμών».
Η συνεργασία με τον Thomas Richards του Oxford University και η χρηματοδότηση ύψους 2 εκατομμυρίων ελβετικών φράγκων από το Moore Foundation εξασφαλίζουν τη συνέχιση της έρευνας. Το επόμενο βήμα: να εστιάσουν σε επιλεγμένα είδη, αναζητώντας απαντήσεις σε θεμελιώδη ερωτήματα, πώς γεννήθηκε η πολυκυτταρικότητα, πώς εξελίχθηκε η μίτωση, και ποια φαινοτυπική ποικιλότητα στηρίζει τις μεγάλες μεταβάσεις της ζωής.
[source]
