NYHET Marina mikroorganismer spelar en avgörande roll för ekosystem och klimat. Trots deras betydelse har många av dem aldrig avbildats i detalj i sin naturliga miljö. Genom ett nytt projekt bygger nu postdoktor George Westmeijer upp ett högupplöst bildbibliotek över mikrober i Östersjön.
George Westmeijer tar ett vattenprov vid Umeå marina forskningscentrum i Norrbyn under sommaren. Efter provtagningen koncentreras mikroorganismerna och undersöks med ljusmikroskopi vid fältstationen innan de analyseras mer i detalj med elektronmikroskopi vid Umeå universitet.
BildLinda SandbladVi vet mycket om de här mikrobernas gener, men betydligt mindre om hur de faktiskt ser ut och lever.
– Vi vet mycket om de här mikrobernas gener, men betydligt mindre om hur de faktiskt ser ut och lever. Jag vill bokstavligen få syn på organismerna bakom all data och alla grafer, säger George Westmeijer, postdoktor vid Kemiska institutionen vid Umeå universitet.
George Westmeijer är biolog från Nederländerna och flyttade till Sverige för att doktorera vid Linnéuniversitetet i Kalmar. Under doktorandtiden utvecklade han ett stort intresse för mikroskopi. När han senare flyttade till Umeå såg han en annons för en postdoktortjänst vid Umeå universitet. Projektet, som finansieras av Kempestiftelserna, visade sig vara en perfekt kombination av hans bakgrund inom ekologi och hans växande intresse för avancerad avbildningsteknik.
Målet med hans nuvarande projekt i Umeå är att visualisera vattenlevande mikrober – bakterier, arkéer, virus och deras interaktioner. Vid Umeå universitets marina forskningscentrum i Hörnefors har George Westmeijer och hans handledare Linda Sandblad och Johan Wikner utvecklat en ny metod för att samla in Östersjövatten som gör det möjligt att studera mikrober med elektronmikroskopi under olika årstider och miljöförhållanden.
George Westmeijer valde att fokusera på Östersjön av både vetenskapliga och praktiska skäl. Det bräckta vattnet hyser en mycket varierad mikrobiell gemenskap som förändras dramatiskt mellan årstiderna. Närheten till Umeå universitets marina forskningscentrum, som ligger direkt vid kusten, gör dessutom provtagning möjlig året runt. Under sommaren blir vissa mikrobiella populationer mycket talrika, för att under vintern minska i antal eller gå in i ett vilostadium när ljusnivån och temperaturen sjunker.
En stor utmaning är att mikroberna både är små och förekommer i låga koncentrationer. Naturligt havsvatten innehåller för få mikrober för högupplöst avbildning. Genom att koncentrera proverna ökar George Westmeijer antalet celler utan att skada dem.
Från provtagning till mikroskopering tar hela processen ungefär en dag.
– Jag fryser snabbt ner proverna till mycket låga temperaturer, omkring minus 180 grader Celsius. Det förhindrar att iskristaller bildas och gör det möjligt att studera mikroberna i ett tillstånd som ligger mycket nära hur de förekommer i naturen.
Mikroskoperingen utförs vid the Umeå Centre for Electron Microscopy , UCEM. Postdoktor George Westmeijer preparerar proven i minus 180 grader Celsius. På bilden syns han tillsammans med sina handledare Johan Wikner, professor på Institutionen för ekologi, miljö och geovetenskap och Linda Sandblad, universitetslektor på Kemiska institutionen.
BildIngrid SöderberghDärefter använder George Westmeijer avancerad kryoelektrontomografi (cryo-ET) för att skapa tredimensionella bilder av mikrobiella celler i proverna. Tekniken bygger på kryoelektronmikroskopi (cryo-EM), som belönades med Nobelpriset i kemi 2017.
Cryo-ET kombinerar en mängd bilder tagna från olika vinklar och avslöjar strukturer som inte går att se med konventionell mikroskopi. Bildanalysen utförs med hjälp av programvara som delvis har utvecklats vid Umeå centrum för elektronmikroskopi (UCEM) vid Umeå universitet. För mikroskopidelen av projektet får George stöd av Linda Sandblad, som både är hans huvudhandledare och föreståndare för UCEM.
Det framväxande bildbiblioteket kommer att ha en detaljnivå som gör det möjligt att studera biologiska strukturer, exempelvis membranvesiklar, samt interaktioner mellan olika celler.
– Mikrober lever inte isolerat. Vi hittar ofta olika arter precis intill varandra, och vi vill förstå vilken typ av relationer de har och hur de påverkar varandra.
Det växande biblioteket av mikrobiella bilder har lagt grunden för nästa fas av arbetet, och nu tar George Westmeijer nästa steg. Genom att kombinera cryo-EM med metagenomik, cellsortering, encellssekvensering och proteomik hoppas han kunna identifiera arter, uppskatta biomassa och följa olika utvecklingsstadier. Metoden kan också upptäcka samarbeten mellan mikroorganismer som regelbundet förekommer tillsammans.
– Identifiering är den stora utmaningen framöver. Men om vi lyckas kan vi börja bygga tredimensionella referensbibliotek över vanliga marina mikrober och undersöka hur deras ytstruktur förändras till följd av exempelvis stigande vattentemperaturer, säger George Westmeijer.
Ett svartvitt snitt från ett elektrontomogram av en akvatisk bakterie. Höger: En segmenterad rekonstruktion som visar viktiga cellstrukturer, inklusive det dubbla membranet, utskott (stalks) och ribosomer. Den färglagda 3D-modellen av cellen skapades i Dragonfly.
BildGeorge WestmeijerPå lång sikt kan bildbiblioteket hjälpa forskare att rekonstruera mikrobiella näringsvävar och förbättra förståelsen för hur marina ekosystem påverkas av klimatförändringar och mänsklig aktivitet. För George Westmeijer är drivkraften också personlig:
– För första gången får jag verkligen se de organismer som jag har studerat under hela min forskarkarriär. Det är fascinerande och kanske början på ett nytt sätt att förstå det mest grundläggande livet i havet.
George Westmeijers projekt finansieras av Kempefonden och är tvärvetenskapligt, med kopplingar till både kemi och ekologi.
