Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Topraktaki mikropların canlı görüntülenmesi, bilim adamlarının, mikrobiyal hücrelerin mineraller, organik madde, bitki kökleri ve diğer mikroorganizmalarla etkileşime girdiği mikrometre ölçeğinde toprak mikrobiyal süreçlerinin nasıl gerçekleştiğini anlamalarına yardımcı olacaktır. Toprak ortamı hem heterojen hem de dinamik olduğundan, bu etkileşimler küçük bir alanda ve kısa zaman dilimlerinde önemli ölçüde değişebilir.

Toprak-kök arayüzü gibi karmaşık mikrobiyal sistemlerde biyojeokimyasal etkileşimlerin görüntülenmesi, iklim, tarım ve çevre sağlığı çalışmaları için çok önemlidir, ancak çok çeşitli optik özelliklere sahip malzemelerin üç boyutlu (3B) dizilimi ile karmaşıklaşır.

Toprak organik maddesinin mikrobiyal ayrışmasından oluşan ve oluşan mikro agregalar (<250 μm), tipik olarak moleküler, genomik veya fizyokimyasal analizler için örneklenen toprak hacmi içinde potansiyel olarak oldukça farklı metabolizmalara ve işlevlere yol açan farklı mikrobiyal topluluklar tarafından barındırılır. Mikrobiyal heterojenliğe ek olarak, mikroorganizmalar ayrıca yüzey altı sıcaklık, nem, besin mevcudiyeti, sinyal molekülleri ve diğer koşullardaki değişikliklere hızla tepki verir. 

Araştırmacılar, bu süreçlerin uzamsal ve zamansal yönlerini anlamak için çok çeşitli görüntüleme teknikleri izlemiştir, ancak fiziksel özellikler ve uzunluk ölçekleri dahil olmak üzere toprak ve mikropların birleşik özellikleri, mikrop-bitki-toprak etkileşimlerini izlemeye ve karakterize etmeye devam etmektedir.

Son yıllarda, X-ray bilgisayarlı tomografi ve manyetik rezonans görüntüleme ile toprakta görüntülemede en etkileyici gelişmelerden bazıları elde edilmiştir. Bu modlar dikkate değerdir çünkü toprağın derinliklerini görüntüleme yeteneğine sahiptirler ve bu nedenle bitki kök mimarisi, toprak yapısı ve hatta su hareketi hakkında eşi görülmemiş bilgiler sağlayabilirler. Canlı görüntüleme için bile kullanıldılar.

Ancak bu aynı yöntemler, kontrast veya çözünürlük sınırlamaları nedeniyle bireysel hifler ve bakteriler gibi mikropları görüntüleyemez. LLNL araştırmacıları, topraktaki ve bitkilerdeki mikropları görüntülemelerine izin veren ultraviyole, görünür ve kızılötesi spektrumda ışıkla görüntüleme gibi optik yöntemlere yöneldiler. 

LLNL kimyager Peter Weber, "Uygun, yumuşak ve hızlı olduğu için optik aralıkta görüntü almak istedik, ancak doğal matrislerde mikropları görüntüleyebilmek için kontrast oluşturmaya yönelik yeni bir yaklaşım benimsememiz gerektiğini biliyorduk." dedi.

Ekip, köklerdeki ve minerallerdeki toprak mikroorganizmaları için kontrast ve kimyasal bilgi üretmek için çoklu görüntüleme modlarını kullanarak etiketsiz bir multifoton doğrusal olmayan optik yaklaşım geliştirdi.

LLNL fizikçisi Janghyuk Lee, "Çok fotonlu mikroskopi, standart floresan görüntüleme ve Raman gibi tek fotonlu yöntemlere göre birçok avantaja sahiptir.1 numaralı avantajı, düşük numune hasarı riskiyle yüksek sinyal sağlamasıdır." dedi.

LLNL ekibinin geliştirdiği yaklaşım, genel mikrop, bitki ve mineral görüntüleme için güçlü bir sinyal sağlar; tanısal biyomolekülleri ve mineralleri hedefleyebilen yüksek kontrastlı, etiketsiz kimyasal görüntüleme; belirli minerallerden ve bazı biyomoleküllerden çok güçlü sinyaller ve konfokal mikroskopi ile karşılaştırıldığında daha yüksek bilgi içeriği, daha derin penetrasyon, daha az saçılma ve daha az fotohasar. Araştırma, Çevre Bilimi ve Teknolojisi dergisinde yayınlandı.

Ekip, bu aleti kullanarak, boyanmamış bitki kökleri içindeki simbiyotik arbusküler mikorizal mantar yapılarını 3B ila 60 μm derinlikte görüntüledi. Kil partikül matrisinde 30 μm'ye kadar derinlikte ve karmaşık bir toprak hazırlığında 15 μm'de yüksek kaliteli görüntüleme mümkün oldu.

Çalışmanın kıdemli yazarlarından LLNL fizikçisi Ted Laurence, "Bir sonraki adımımız, uyarlanabilir optiği bu sisteme entegre etmek ve daha derin bir görüntü elde etmeye çalışmak" dedi. 

Teknik, araştırmacıların simbiyotik mantar Serendipita bescii'de daha önce bilinmeyen lipid damlacıklarını tanımlamasına izin verdi. Ayrıca bir toprak mikrokozmosunda Brachypodium distachyon'un kökleriyle ilişkili lekelenmemiş varsayılan bakterileri de görselleştirdiler.

Çalışmanın kıdemli yazarlarından LLNL fizikçisi Sonny Ly, "Sonuçlarımız, bu çok modlu yaklaşımın rizosfer ve toprak bilimi araştırmaları için önemli bir umut vaat ettiğini gösteriyor. Mikroskopun, mantardaki lipitleri tanımlamak gibi kimyasal görüntüleme potansiyeli konusunda özellikle heyecanlıyız." dedi.

Makale:pubs.acs.org