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Viendo la lombriz de tierra bajo una nueva luz

La lombriz de tierra bajo una nueva luz
El atlas combina datos de imágenes de espectrometría de masas (MSI), hibridación fluorescente in situ (FISH) y microtomografía (micro-CT). Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Marina / PNAS ref.

Las lombrices de tierra experimentan interacciones químicas constantes con bacterias, hongos, plantas y pequeños invertebrados en los ecosistemas del suelo. 


por Max Planck Society


Incluso dentro de sus tejidos, las lombrices de tierra albergan microbios simbióticos y parásitos de animales pequeños que desencadenan respuestas metabólicas internas como la inmunidad innata. Para revelar los procesos fundamentales que permiten que se formen y persistan las simbiosis animal-microbio, tenemos que estudiar sus interacciones metabólicas in situ. Al combinar técnicas de imagen novedosas, un equipo de investigadores alrededor de Benedikt Geier del Instituto Max Planck de Microbiología Marina (MPIMM) en Bremen, Alemania, ahora ha logrado obtener imágenes de la emocionante variedad de interacciones que tienen lugar dentro de la lombriz de tierra. Esto nos permite observarlos bajo una luz completamente nueva.

La química del gusano en 3D

Nuestro conocimiento de las interacciones químicas entre los animales pequeños y los microorganismos que viven dentro de sus cuerpos es extremadamente limitado. Esta brecha de conocimiento tiene su origen en un desafío metódico: para estudiar las interacciones metabólicas en simbiosis tenemos que saber quién está produciendo qué producto metabólico en qué lugar del cuerpo. El núcleo de este problema, sin embargo, no es solo visualizar cómo se distribuyen las moléculas a escala micrométrica. Además, las imágenes químicas son casi imposibles de interpretar sin saber si una muestra de tejido está sana, enferma o infectada con microbios beneficiosos o patógenos o incluso con parásitos animales.

La nueva combinación de técnicas de imágenes de alta resolución puede ofrecer una solución a este problema, como muestra ahora el equipo de investigación. «En nuestro estudio, presentamos la quimio-histo-tomografía, un enfoque especial de imágenes tridimensionales de la química y la anatomía de animales de tamaño milimétrico y sus parásitos a nivel celular», dice Geier, primer autor del artículo. «Este método ofrece una nueva estrategia para visualizar los procesos más fundamentales, interacciones metabólicas, en simbiosis de animales pequeños. Nos permite asignar espacialmente productos metabólicos al huésped animal y sus socios microbianos a escala micrométrica».

La lombriz de tierra bajo una nueva luz
Se representa un modelo 3D basado en microtomografía del extremo anterior de una lombriz de tierra que muestra esquemáticamente cómo CHEMHIST permite vincular la estructura anatómica y la función metabólica. Los datos en 3D de la microanatomía del gusano permiten una disección virtual del animal como se muestra aquí. Por ejemplo, hacer transparente la piel del animal o quitarla como se muestra en la imagen revela las estructuras internas. Con CHEMHIST no solo se puede visualizar la anatomía, sino también las moléculas asociadas de cada órgano mediante el uso de mapas de intensidad que se muestran en la figura con una superposición de color azul a amarillo. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Marina / datos microCT de acceso abierto de Lenihan et al.

La quimio-histo-tomografía (CHEMHIST) combina imágenes químicas de metabolitos basadas en imágenes de espectrometría de masas MALDI con la microanatomía del mismo animal que se registra con tomografía de rayos X microcomputada. Este último es un enfoque no invasivo que permite obtener imágenes de rayos X de la histología 3D y puede alcanzar una resolución subcelular. Para la obtención de imágenes de metabolitos, las técnicas de espectrometría de masas MALDI se han convertido en una herramienta de vanguardia para visualizar distribuciones naturales de metabolitos a escala micrométrica. Esto permite una asignación espacial entre los perfiles químicos y su sitio de producción y posiblemente a su productor.

«Este avance nos permitió tomar una lombriz de tierra del medio ambiente y crear un atlas 3D de sus interacciones químicas y físicas con los microorganismos que ocurren naturalmente dentro de sus tejidos», dice Manuel Liebeke, líder del Grupo de Investigación de Interacciones Metabólicas del MPIMM y autor principal. de El estudio. «Sin embargo, estábamos interesados ​​en algo más que la biología de la lombriz de tierra. Nuestro objetivo era también hacer que CHEMHIST fuera aplicable a animales muestreados directamente de su hábitat natural, lo que puede ser esencial para la investigación de simbiosis». La resolución de CHEMHIST supera a los métodos similares existentes desarrollados para la investigación médica en ratones hasta en dos órdenes de magnitud. Esto también puede conducir a nuevas vías de investigación sobre insectos o corales, que son modelos clave para la investigación de la simbiosis, tanto en tierra como en agua.

La lombriz de tierra bajo una nueva luz
Una sección transversal de una lombriz de tierra completa, imágenes con dos técnicas: imágenes de espectrometría de masas (izquierda) y microscopía de fluorescencia (derecha). Los diferentes colores de los datos de imágenes de espectrometría de masas muestran la distribución de diferentes metabolitos en el tejido, mientras que la microscopía de fluorescencia muestra las estructuras tisulares subyacentes a las distribuciones químicas. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Marina / B. Geier

El todo es más que la suma de las partes

Usando la combinación de diferentes técnicas de imágenes in situ a través de CHEMHIST, los investigadores del MPIMM en Bremen descubrieron metabolitos (productos del metabolismo) en la lombriz de tierra que podrían arrojar luz sobre cómo se defiende químicamente contra los parásitos y cómo estos, a su vez, protegen ellos mismos contra la respuesta inmune de la lombriz de tierra. Sin embargo, para reconocer incluso que los datos de las imágenes químicas eran metabolitos de parásitos en el tejido de las lombrices de tierra, el modelo anatómico 3D era indispensable. Un micro tomógrafo de alta resolución en el Sincrotrón de Electrones Alemán en Hamburgo hizo posible por primera vez identificar los parásitos en el tejido.

En particular, las interacciones metabólicas entre los animales y sus microbios no se limitan a los tejidos simbióticos. A lo largo del eje intestino-cerebro, los metabolitos microbianos producidos en el intestino pueden afectar los tejidos del huésped, llegando incluso al cerebro. Por lo tanto, extender las imágenes químicas correlativas a enfoques 3D puede ser crucial para capturar la distribución de metabolitos involucrados en interacciones simbióticas y así mostrar cómo las señales químicas de los microbios posiblemente afecten los procesos cruciales en su anfitrión. Además, el método se puede utilizar de muchas formas: el equipo de investigación de Liebeke y Geier lo está aplicando actualmente a los mejillones de aguas profundas.

«Como me he especializado en la visualización en 3D de la anatomía de invertebrados durante años, fue particularmente interesante para mí ver las moléculas escondidas detrás de las estructuras morfológicas», dice Bernhard Ruthensteiner, líder de la sección Invertebrados Varia en la Colección Estatal de Zoología de Baviera. Los resultados del estudio fueron posibles gracias a una colaboración interdisciplinaria que reunió a científicos de los campos de la microbiología, la zoología, la química y la física. Rápidamente se hizo evidente que la visualización, como el atlas 3D correlativo del gusano, facilita la comunicación científica de los datos.



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