Здесь показаны соответствующие FISH (слева) и NanoSIMS (справа) анализ кишечных микроорганизмов. Клетки Bacteroides или Akkermansia окрашивали с помощью специальных FISH-зондов. Количество стабильного изотопа 15N было проанализировано в тех же ячейках с помощью NanoSIMS. Чем выше содержание 15N в клетке, тем больше поглощается слизистой оболочкой кишечника. Белые стрелки указывают на клетки, которые впитали слизь. Клетка Bacteroides, отмеченная зеленой стрелкой, не питалась слизью. Авторское право: Департамент микробной экологии Венского университета.
Команда микробиологов Дэвида Берри, Александра Лоя и Майкла Вагнера с факультета естественных наук в сотрудничестве с учеными из Max F. Лабораториям Perutz (Венский университет и Венский медицинский университет) и с помощью технологии NanoSIMS впервые удалось напрямую наблюдать микроорганизмы, питающиеся слизистой оболочкой кишечника. Результаты этого исследовательского проекта публикуются в текущем выпуске престижного журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Чтобы понять исследовательский проект Майкла Вагнера и его команды, нужно быть готовым проследить за микробиологами в недрах кишечника мыши. Майкл Вагнер, профессор микробной экологии, приводит эту аналогию: "Подобно коровам, пасущимся на лугу, кишечные бактерии могут питаться слизью, выделяемой тканью слизистой оболочки. Есть группа микроорганизмов, которые не питаются пищей для мышей, а специализируются на питании секретируемыми продуктами своего хозяина." Слой кишечной слизи является жизненно важным барьером, препятствующим проникновению патогенных микроорганизмов в организм, а также играет важную роль в воспалительном заболевании кишечника. Вот почему ученым очень интересно узнать, какие бактерии обитают в слизистом слое здоровых организмов и, таким образом, могут подавлять колонизацию и разрушение этого барьера патогенами.
Команда под руководством Майкла Вагнера и Александра Лоя в рамках своей деятельности при поддержке Австрийской программы исследования генома GEN-AU хотела узнать: какие организмы здоровых мышей считают слизистую оболочку и слизистый слой кишечника деликатесом? "Мы разработали экспериментальную установку, которая позволяет нам впервые заглянуть в кишечник и непосредственно наблюдать организмы, пасущиеся на слизи, и измерить, сколько слизи они поглотили," сказал руководитель группы Александр Лой из Департамента микробной экологии Венского университета. Для этого микробиологи в сотрудничестве с командами Томаса Декера из отдела микробиологии, иммунобиологии и генетики в Max F. Perutz Laboratories и Bärbel Stecher из Мюнхенского университета пометили аминокислоту со стабильными изотопами, которые, попав в кровоток, в основном попадают в слизь. Вагнер объясняет, "Из измерений масс-спектрометрии изотопного соотношения, проведенных нашими сотрудниками Андреасом Рихтером и Вольфгангом Ванеком из Департамента исследований наземных экосистем Венского университета, стало ясно, что всего через несколько часов изотопы попали в слизистую оболочку кишечника, где они были разрушены. вниз бактериями." В настоящее время разработан метод идентификации бактерий, питающихся слизистым слоем, с одноклеточным разрешением.
Ключевым инструментом в исследовании была вторичная ионная масс-спектрометрия высокого разрешения, сокращенно NanoSIMS. Это устройство стоимостью более 2 миллионов евро, и с момента его установки в феврале 2010 года на факультете естественных наук Венского университета оно использовалось командой под руководством Михаэля Вагнера для приложений в микробиологии и экологии. "Эта технология позволяет нам точно определять количество стабильных изотопов, поглощаемых каждой микробной клеткой в образце кишечника," – говорит Арно Шинтлмейстер, заведующий отделением на факультете.
"Инвестиционные затраты на устройство NanoSIMS были высокими, и потребовалось некоторое время, прежде чем мы смогли полностью интегрировать это очень сложное устройство в наши исследования. Однако теперь наше терпение будет вознаграждено: в Венском университете проводится первое в мире исследование, в котором не нужно косвенно делать выводы о функции отдельных клеток кишечных бактерий, а можно напрямую измерить ее", сказал микробиолог Майкл Вагнер. Этот исследовательский подход имеет большой потенциал и является темой, которая будет оставаться приоритетной для исследований в рабочих группах под руководством Дэвида Берри и Александра Лоя в ближайшие годы.
Бактериальные клетки, измеренные на установке NanoSIMS, были идентифицированы с помощью флуоресцентной гибридизации in situ – сокращенно FISH – в конфокальном лазерном сканирующем микроскопе. "Мы идентифицировали ряд микроорганизмов, питающихся слизью, и, безусловно, наиболее важными участниками являются Akkermansia muciniphilia и Bacteroides acidifaciens," объясняет Вагнер, "Микробиота кишечника – очень горячая тема для исследований во всем мире, потому что состав наших микробных сообществ кишечника коррелирует со многими заболеваниями – от ожирения и аутизма до воспалительных заболеваний кишечника."