Die chemische Sprache von Symbiosen sichtbar machen
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Metaboliten-FISHing
Die chemische Sprache von Symbiosen sichtbar machen BENEDIKT GEIER, MANUEL LIEBEKE MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR MARINE MIKROBIOLOGIE, BREMEN
Small molecules – metabolites – provide the basis for chemical interactions between hosts and microbes. Especially in animal-microbe symbioses, the close physical interactions require a spatial organization of cells and their metabolites. Correlative mass spectrometry imaging (MSI) and fluorescence microscopy provide powerful tools to address the technical challenge of linking metabolite production to symbiont and host cells in mixed communities and study spatial metabolomes of symbioses in situ. DOI: 10.1007/s12268-020-1435-x © Die Autoren 2020
ó Um in der Natur zu bestehen, leben Bakterien und Tiere oft in engem Zusammenspiel und leben in Symbiosen. Die Grundlage jeder Interaktion zwischen Bakterien und Tieren ist eine gemeinsame chemische Sprache. Diese Sprache basiert primär auf kleinen Molekülen (unter 1.500 Da), den Metaboliten, mittels derer sich die Partner erkennen, verteidigen, miteinander kommunizieren und gegenseitig manipulieren (Abb. 1, [1]). Metaboliten werden meist mittels Massenspektrometrie (MS) analysiert, indem das Gewebe samt assoziierter Bakterien homogenisiert wird, die Metaboliten extrahiert und anschließend gemessen werden. Dabei können hunderte bis tausende Metaboliten, das Metabolom, aus nur einem Extrakt erfasst werden. Zellextrakte führen jedoch zu einem grundlegenden Problem: Die Anordnung der Wirtszellen, Bakterien und Metaboliten – das räumliche Metabolom – wird zerstört. Somit können einzelne Metaboliten nicht mehr ihrem Produktions- und Wirkungsort innerhalb der Symbiose zugeordnet werden. Um zu verstehen, wie Symbiosen aufgebaut sind und funktionieren, benötigen wir eine Methode, die uns erlaubt, das räumliche Metabolom von Wirts- und Bakterienzellen zu messen. Während standardisierte histologische Färbungen und Fluoreszenzmarker die Mikroskopie von Tier- und Bakterienzellen ermögliBIOspektrum | 05.20 | 26. Jahrgang
chen, stellt die Visualisierung einzelner Metaboliten eine größere Herausforderung dar.
Ein molekulares Mikroskop Gute Möglichkeiten, um Metabolitenverteilungen zu visualisieren, bietet die bildgebende Massenspektrometrie (mass spectrometry imaging, MSI), besonders in Verbindung mit Matrix-unterstützter Laser-Desorption/Ionisation (matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI), also eine Art Hybrid
aus Mikroskopie und MS – ein molecular microscope [2]. Dabei werden die Metaboliten von der Probenoberfläche mit einem Laser Punkt für Punkt ionisiert, mit MS gemessen und das Punktraster anschließend als Ionenbild dargestellt [3]. Durch Annotationsplattformen wie METASPACE [4] lassen sich die MSI-Daten mit Metabolitendatenbanken abgleichen und die Ionen(bilder) bestimmten Metaboliten zuordnen. Die Kombination von MALDI-MSI und Mikroskopie ist also eine vielversprechende Methode, Bakterien in Wirtsgeweben und deren Metaboliten zu untersuchen. Eine viel größere Herausforderung ist die korrelative Anwendung beider
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