Stellen Sie sich vor, Sie könnten eine Ameise so groß wie einen Elefanten machen. Sie würden jedes Detail ihres Körpers sehen, jede Nuance, jede Bewegung. Übertragen Sie diese Idee nun auf die mikroskopische Welt. Einem Forscherteam ist es gelungen, etwas Ähnliches mit Bakterien zu erreichen: Sie haben tausendfach vergrößert. Es ist keine Zauberei, sondern eine geniale Technik, die fortschrittliche Mikroskopie und Polymerchemie kombiniert. Das Ergebnis? Eine beispiellose Vision der Bakterienwelt, die verborgene Geheimnisse über ihr Verhalten, ihre Resistenz gegen Antibiotika und ihre Überlebensstrategien enthüllen kann. Machen Sie sich bereit für eine unglaubliche Reise in das Reich der „Riesenbakterien“ (besser gesagt vergrößert, aber so ist es), wo das unendlich Kleine endlich sichtbar wird.
Die Herausforderung, das Unsichtbare zu sehen
Wie koordinieren Bakterien, diese winzigen Organismen, die uns bewohnen und umgeben, ihre Aktivitäten? Wie interagieren sie miteinander und mit ihrer Umgebung? Dies sind grundlegende Fragen zum Verständnis sowohl nützlicher als auch schädlicher Bakterien, die Infektionskrankheiten verursachen. Eine aktuelle Studie, veröffentlicht in der renommierten Zeitschrift Forschung (Ich verlinke es hier), hat auf diesem Gebiet neue Perspektiven eröffnet – dank einer Technik, die eine völlig neue Art der Visualisierung von Bakterien ermöglicht.
Jeffrey Moffitt, PhD, und seine Kollegen bei Programm für Zelluläre und Molekulare Medizin (PCMM) al Boston Kinderkrankenhausverwendeten sie eine molekulare Bildgebungstechnik namens MERFISCH, teilweise von Moffitt selbst entwickelt. Diese Technik ermöglicht die Analyse von Messenger-RNA (mRNA) in Tausenden einzelner Bakterien gleichzeitig. Eine echte genetische Volkszählung auf mikroskopischer Ebene, die es uns ermöglicht, die Genexpression in großem Maßstab abzubilden und aufzuzeigen, wie räumliche Faktoren die Aktivierung bakterieller Gene beeinflussen. Ein noch nie zuvor erreichtes Ergebnis.
„Riesenbakterien“: Die Grenzen der herkömmlichen Mikroskopie überwinden
Auf dem Weg zu dieser Mega-Erweiterung musste ein Hindernis überwunden werden: bakterielle RNA oder bakterielles Transkriptom ist in winzigen Zellen unglaublich dicht und komprimiert. Stellen Sie es sich wie einen Wollknäuel in einem Schuhkarton vor. Eine Visualisierung mit herkömmlichen Mikroskopen war nahezu unmöglich. „Es war eine totale Katastrophe, wir konnten nichts sehen“, sagt er. Moffitt.
Die Lösung bestand in der Übernahme einer Technik aus dem Labor von Ed Boyden, PhD, an der MIT: Die Expansionsmikroskopie. Die Forscher betteten die Bakterienproben in ein spezielles Hydrogel ein und verankerten die RNA in dieser gelartigen Struktur. Dann veränderten sie den chemischen Puffer im Gel und lösten damit einen Expansionsprozess aus. Das Ergebnis? Die Probe quoll auf und ihr Volumen vergrößerte sich um das 50- bis 1000-fache. „Mittlerweile ist die gesamte Bakterien-RNA einzeln auflösbar“, erklärt er. Moffitt. Als ob sich der Wollknäuel auf magische Weise entwirrt hätte und jeder einzelne Faden zum Vorschein gekommen wäre.
Was die Genexpression von Bakterien verrät
Bisher konnten Wissenschaftler das Verhalten von Bakterien nur „im Durchschnitt“ untersuchen, indem sie ganze Bakterienpopulationen analysierten. Aber diese neue Fähigkeit, zu bestimmen, welche Gene aktiviert sind in singoli Bakterien eröffnet neue Perspektiven. Endlich können wir die Interaktionen zwischen Bakterien auf individueller Ebene verstehen, die Mechanismen der Virulenz entschlüsseln, Stressreaktionen untersuchen, verstehen, wie Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln und wie sie Biofilme bilden, jene komplexen Bakteriengemeinschaften, die sich beispielsweise auf Kathetern bilden.
„Wir verfügen jetzt über die Werkzeuge, um faszinierende Fragen zu den Interaktionen zwischen Wirt und Mikrobe sowie zwischen Mikrobe zu beantworten“, schwärmt er. Moffitt. „Wir können erforschen, wie Bakterien kommunizieren und um räumliche Nischen konkurrieren, die Struktur von mikrobielle Gemeinschaften und untersuchen, wie pathogene Bakterien ihre Genexpression verändern, wenn sie Säugetierzellen infizieren.“
Mithilfe der MERFISH-Bakterienmikroskopie können wir auch Bakterien untersuchen, die im Labor schwer zu züchten sind. „Jetzt müssen wir sie nicht mehr anbauen, wir können sie einfach in ihrer natürlichen Umgebung visualisieren“, betont er. Moffitt. Ein großer Vorteil, wenn man bedenkt, dass die meisten existierenden Bakterien mit herkömmlichen Techniken nicht kultiviert werden können.
Überlebensstrategien von „Riesenbakterien“ aufgedeckt
Um das Potenzial der Technik zu demonstrieren, hat das Team von Moffitt mehrere Experimente durchgeführt. Sie konnten beispielsweise nachweisen, dass die einzelnen Bakterien E. coli, wenn Sie keinen Glukosegehalt haben, versuchen Sie, nacheinander alternative Nahrungsquellen zu nutzen, indem ihre Genexpression in einer bestimmten Reihenfolge verändert wird. Durch die Analyse einer Reihe genomischer „Schnappschüsse“ über einen bestimmten Zeitraum hinweg konnten die Forscher diese Überlebensstrategie rekonstruieren. Es ist ein bisschen so, als würde man einem Motor dabei zusehen, wie er von einem Kraftstoff auf einen anderen umschaltet, um weiterzulaufen.
Das Team gewann auch Erkenntnisse darüber, wie Bakterien ihre RNA innerhalb von Zellen organisieren, ein Aspekt, der bei der Regulierung der Genexpression von entscheidender Bedeutung sein könnte. Schließlich zeigten sie, dass Darmbakterien je nach ihrer physischen Position im Dickdarm unterschiedliche Gene aktivieren. Eine echte genetische „Postleitzahl“, die je nach Mikroumgebung, in der die Bakterien vorkommen, variiert.
Eine neue Ära für die Bakterienforschung
„Dieselben Bakterien können auf einer Fläche von mehreren zehn Mikrometern ganz unterschiedliche Dinge tun“, schlussfolgert er. Moffitt. „Sie sehen unterschiedliche Umgebungen und reagieren unterschiedlich darauf. Früher war es sehr schwierig, mit dieser Variation umzugehen, aber jetzt können wir die Art von Fragen beantworten, von denen die Leute geträumt haben, sie stellen zu können.“
Dank der umfassenden Mikroskopie beginnt eine neue Ära der Bakterienforschung. Wir werden nicht nur in der Lage sein, diese Mikroorganismen in einem bisher nie dagewesenen Detail zu untersuchen, sondern auch grundlegende Fragen zu Leben, Gesundheit und Umwelt mit neuen Mitteln und neuen Perspektiven anzugehen. Eine mikroskopische Zukunft, aber mit gigantischen Auswirkungen.
