facebook twitter instagram issuu linkedin google+ research gate youtube ustv

Nauka na wyciągnięcie ręki

Obszar nauk humanistycznych
Obszar nauk społecznych
Obszar nauk ścisłych
Obszar nauk przyrodniczych
Obszar nauk technicznych
Obszar sztuki

Co masz w środku, gąbko?

Naukowcy z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ opracowali analizę struktury wewnętrznej gąbki

Obecność gąbek – wielokomórkowych, kolonijnych organizmów wodnych – już kilka lat temu została odkryta na pomostach Zbiornika Goczałkowickiego. – Mało poznane, „przyklejają się” do betonu i wypuszczają charakterystyczne odnogi przypominające miniatury gałęzi drzew – mówi dr Andrzej Woźnica z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ. Celem, jaki postawili przed sobą badacze z Uniwersytetu Śląskiego, było odtworzenie trójwymiarowego obrazu struktury goczałkowickich gąbek, a wszystko po to, by podpatrzyć pewne mechanizmy, które te prymitywne organizmy wykształciły w ciągu milionów lat.

Goczałkowickie gąbki

Już kilka lat temu pojawiły się informacje, że w jednym z portów Zbiornika Goczałkowickiego można zaobserwować „dziwne” struktury. Wyglądają jak rośliny, tworzą kolonie, występują na obszarach płytkich, do 20–30 cm pod powierzchnią wody. Niewielu jednak wie, że należą do królestwa zwierząt. Warto także dodać, że występują w czystych wodach, co jest dobrym sygnałem dla zarządców śląskiego zbiornika. Co więcej, ich obecność przyczynia się także do oczyszczania zasobów wodnych dzięki wchłanianiu szczątków organicznych stanowiących ich pożywienie.

– Przyglądając się obecnym w zbiorniku gąbkom, zastanawialiśmy się z innymi badaczami, jak dobrać się do wnętrza tych kilkucentymetrowych organizmów. Szukaliśmy najlepszej metody analizy, by obejrzeć ich wewnętrzną strukturę na poziomie mikro. Wiedzieliśmy, że nie wszystkie mechanizmy funkcjonowania gąbek zostały odkryte i opisane – tłumaczy dr Andrzej Woźnica.

Pierwszym krokiem było więc przygotowanie obrazów zrobionych przy pomocy mikroskopu skaningowego (SEM). Badacze otrzymali piękne zdjęcia, na których można zobaczyć między innymi otwory, dzięki którym następuje wymiana wody, inne organizmy żyjące na powierzchni gąbek, jak okrzemki, oraz tak zwane spikule przypominające igły i będące szkieletem gąbki.

– Na zdjęciu widzimy wiązki spikul. Są one zbudowane z krzemionki, natomiast element je spajający to twór białkowy, tak zwana spongina. Ich ostro zakończone końce wystają z powierzchni wielokomórkowego organizmu. Zatem tym, co odpowiada za szorstką strukturę gąbki, są tak naprawdę elementy jej szkieletu – mówi dr Woźnica.

Wnętrze gąbki tworzy jedyny w swoim rodzaju mikrokosmos. Nie tylko na jej powierzchni udało się zidentyfikować różne jednokomórkowe i kolonijne glony. Gdy przez jej ciało przepływa woda, jedne organizmy są zjadane, inne osiedlają się w jej wnętrzu. Mogą to być bakterie, a nawet... larwa owada.

– Gdy po raz pierwszy spojrzeliśmy na pewien element, który zidentyfikowaliśmy pierwotnie jako kanał centralny przepuszczający wodę, okazało się, że to kanał, który utworzyła larwa ochotki, tworząc we wnętrzu gąbki rodzaj przytulnego M1. Udało nam się ją w całości wypreparować optycznie, stąd wiemy, jaki to rodzaj – mówi dr Woźnica.

Zbadanie wspomnianego kanału nie byłoby jednak możliwe tylko dzięki mikroskopii skaningowej. Badacze zaproponowali użycie innej techniki badawczej, wykorzystującej mikrotomografię komputerową, opracowując przy okazji autorską technikę wizualizacji powierzchni gąbki.

Prześwietlamy gąbki

Stworzona przez naukowców metoda pozwala odtwarzać trójwymiarową strukturę badanego organizmu.

– Od razu warto zaznaczyć, że przy jej użyciu możemy zobaczyć strukturę właściwie każdego obiektu, począwszy od drewna, poprzez pająki, skończywszy na człowieku. Dzięki niej jesteśmy w stanie zbudować komputerowy model trójwymiarowy, by następnie wydrukować go na przykład na drukarce 3D – mówi mgr Jerzy Karczewski z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska, także biorący udział w badaniu goczałkowickich gąbek. – Chociaż najpiękniejsze obrazy otrzymujemy dzięki mikroskopii skaningowej, o wiele ciekawszych informacji dostarcza nam mikrotomografia komputerowa zastosowana do zaproponowanej przez nas metody. Wystarczy porównać dwie fotografie: przed zastosowaniem i po zastosowaniu naszej technologii. To jest ten sam element, a jaka różnica! Jakie możliwości interpretacyjne! – dodaje.

Przede wszystkim stosowane dotychczas metody analizy organizmu wymagały znacznej ingerencji w jego strukturę. Jak wyjaśnia mgr Karczewski, tradycyjne metody analizy wymagają krojenia organizmu na mikrofragmenty oraz odpowiedniego przygotowania próbek do badania. W ten sposób już na początku traci się pewne informacje. Przede wszystkim znika obraz całościowej struktury. Jak podkreślają naukowcy, czasem są to szczegóły, które mogą mieć jednak kapitalne znaczenie dla poznawania wewnętrznych mechanizmów organizmu. Autorska metoda badaczy z Uniwersytetu Śląskiego pozwala oglądać strukturę właściwie w niezmienionej formie.

– Nasza ingerencja w organizm jest tak niewielka, że potem moglibyśmy badaną gąbkę spróbować ożywić... – przyznaje ze śmiechem mgr Karczewski.

Aby możliwe było zastosowanie nowej metody, organizm musi zostać poddany procesowi liofilizacji. Polega on na schłodzeniu obiektu do temperatury prawie –200°C i odparowaniu zgromadzonej w nim wody. Dzięki sublimacji struktura organizmu utrzymuje się w niezmienionej formie, natomiast pozbycie się wody umożliwia zredukowanie ilości szumów w otrzymanym później obrazie. Następnie wykonuje się zdjęcie tak przygotowanego obiektu przy pomocy mikrotomografu komputerowego. Dzięki niemu naukowcy otrzymują obraz cieni, na bazie których próbują odtworzyć strukturę 3D badanego obiektu. Innymi słowy, w tym przypadku badacze tworzą topologiczny i topograficzny obraz gąbki.

Otrzymując zdjęcie z tomografii, muszą zatem poprawnie zidentyfikować wszystkie elementy, które tworzą wspomniane cienie. Wskazują one miejsca mniej i bardziej przezroczyste dla promieniowania X, chociaż dla niewprawnego oka pierwotny obraz przypomina raczej same szumy, z których trudno wyczytać jakiekolwiek informacje.

Mgr Karczewski tłumaczy, w jaki sposób udaje się identyfikować poszczególne elementy uzyskanego obrazu.

– W tym „szumie” musimy odróżnić części szkieletu gąbki, gemule umożliwiające rozprzestrzenianie się, bakterie czy nawet larwy owadów, o czym już wspominaliśmy wcześniej. Problem polega na tym, że rożne obiekty w tym obrazie nakładają się na siebie. Musieliśmy więc przygotować specjalne filtry. Jednym z nich jest filtr kształtu. Wiemy, że podłużny element będzie częścią szkieletu, a kulisty – gemulą – dodaje. Dzięki temu można pokazać na przykład trójwymiarowy obraz szkieletu gąbki, a potem nakładać na niego odpowiednio pokolorowaną warstwę gemul, bakterii i innych elementów.

– Możemy zobaczyć na przykład rozmieszczenie gemul w gąbce, możemy je policzyć, zbadać ich średnicę, objętość itd. Zaproponowana przez nas metoda dostarcza zatem wielu nowych informacji o budowie obiektu, a to otwiera niesamowite możliwości interpretacyjne – mówi dr Woźnica.

Być jak Gaudi

Najważniejszym celem tworzenia trójwymiarowych obrazów obiektów jest próba odpowiedzi na pytanie o mechanizmy, które w danym organizmie wykształciła natura. Jak wyjaśnia dr Woźnica, badane przez zespół rozwiązania strukturalne, funkcjonalne i ewolucyjne zaobserwowane w goczałkowickiej gąbce słodkowodnej będą mogły być w przyszłości wykorzystane do tworzenia narzędzi biotechnologicznych.

– Próbujemy robić w biotechnologii to, co Gaudi tworzył w architekturze. Podpatrujemy naturę, by później wykorzystać jej rozwiązania w codziennym życiu. Już w tej chwili mogę wyjawić, że znaleźliśmy i opisaliśmy pewien interesujący mechanizm, który można ciekawie wykorzystać, ale jeszcze niestety nie mogę zdradzać szczegółów ze względu na przygotowywanie zgłoszenia patentowego. Mam nadzieję, że już wkrótce przetestujemy go w praktyce, wtedy też z chęcią o nim opowiemy – obiecuje dr Woźnica.

Małgorzata Kłoskowicz

Tekst został również opublikowany w „Gazecie Uniwersyteckiej UŚ” nr 10 (240) lipiec–wrzesień 2016.

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2018
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.