Oft können Bakterien nicht im Labor kultiviert werden und Forschende müssen auf Informationen des Bakterien-Erbguts aus Umweltproben zurückgreifen, um damit theoretische Erkenntnisse über den Stoffwechsel der Mikroorganismen zu erhalten. Doch fehlte es an Einblicken darüber, was die Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung tatsächlich tun. Hier kann die Erforschung des Metaboloms Erkenntnisse bringen. Das Team um Liebeke hat eine Methode entwickelt, mit der sie einzelne Bakterien identifizieren und gleichzeitig feststellen können, welche Metaboliten in den Zellen vorhanden sind – ohne die Bakterien im Labor zu kultivieren. Diese Methode ermöglicht es ihnen, zu untersuchen, wie Bakterien als symbiotische „Untermieter“, beispielsweise in Muscheln, leben und überleben. Das Team analysierte Hunderte von Stoffwechselprodukten auf einer Fläche kleiner als ein Quadratmillimeter. Über ihre Forschungsergebnisse berichten die Kieler und Bremer Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Protocols.

Metaboliten in Mikrobiomen auf der Mikrometerskala. Jede Farbe im Bild steht für einen anderen Metaboliten, der mit Massenspektrometrie bei sehr hoher Pixelauflösung abgebildet wurde. Die drei gelben Hotspots geben Epithelzellen, die mit einem Bakterium infiziert sind samt metabolischem Effekt wieder. © Borceau et al. Nature Protocols 2023

„Die Anwendung dieser Methode auf Wirt-Mikroben-Gemeinschaften wird uns viele spannende neue Einblicke in die chemische Kommunikation zwischen Organismen geben", sagt Patric Bourceau vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Erstautor des entwickelten Protokolls zur Anwendung der Methode. Diese Arbeit kann einen weiteren Weg für die Erforschung von Bakterien und ihren Interaktionen mit ihrem Wirt eröffnen. Zusätzlich bietet die Methode vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für die Zukunft: Entwickelt am Bremer Max-Planck-Institut, wendet Liebekes neue Arbeitsgruppe an der CAU die Methode bereits an, um das menschliche Darmmikrobiom und dessen Einfluss auf den Stoffwechsel zu untersuchen. Dies kann zum Beispiel hilfreich sein, um weitere Erkenntnisse über entzündliche Darmerkrankungen zu erlangen. Mit der Publikation eines detaillierten Protokolls steht die Anwendung der Technik nun anderen Forschenden weltweit offen.

Einblicke in die funktionelle und chemische Ökologie von Wirt-Mikroben-Interaktionen
Die stetigen Fortschritte in der MALDI-MSI-Technologie ermöglichen es, mikrobielle Kolonien, Biofilme und einzelne eukaryotische Zellen und auch bakterielle Mikrokolonien bildlich darzustellen. Das hier präsentierte Protokoll bildet die Grundlage für die Analyse und das Verständnis metabolischer Interaktionen.

Publikation:
Patric Bourceau, Benedikt Geier, Vincent Suerdieck, Tanja Bien, Jens Soltwisch, Klaus Dreisewerd, Manuel Liebeke: Visualization of metabolites and microbes at high spatial resolution using MALDI mass spectrometry imaging and in situ fluorescence labeling. Nature Protocols 18, 3050–3079 (2023). https://doi.org/10.1038/s41596-023-00864-1

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel