Duizenden beelden van bevroren bacteriën
Hoe detecteren bacteriën signalen uit hun omgeving en hoe passen ze zich daaraan aan? Die vraag intrigeert Ariane Briegel, hoogleraar Ultrastructuurbiologie. Met behulp van nieuwe technieken produceert ze driedimensionale beelden, die nieuwe informatie geven over het zintuiglijke systeem van bacteriën.
Bent u altijd geïnteresseerd geweest in bacteriën?
‘Eigenlijk niet. Toen ik studeerde, wilde ik me graag specialiseren in de mariene biologie. Maar ik woonde in München, ver bij alle oceanen vandaan. Dus in plaats van mariene biologie besloot ik me te richten op zoölogie. Microscopie was daar een belangrijk onderdeel van, en ik raakte gefascineerd: steeds als je door de microscoop kijkt, zie je iets compleet nieuws. Na het behalen van mijn master begon ik een promotietraject aan het Max Planck Instituut, waar ik in aanraking kwam met een nieuwe techniek in de microscopie: cryo-elektronentomografie. Sindsdien heb ik met altijd met bacteriën beziggehouden, en daar heb ik nooit spijt van gekregen. Het is zo’n interessant onderzoeksgebied en er is nog zoveel te ontdekken.’
Waar doet u precies onderzoek naar?
‘Wat mij het meest fascineert, is hoe bacteriën signalen uit hun omgeving detecteren. Hoe lukt het ze suikers te vinden, giftige stoffen te mijden en zich aan te passen aan een veranderende omgeving? We weten al dat bacteriën gebruik maken van signalen, zoals de aanwezigheid van sommige chemische stoffen, om te bepalen waar ze naartoe moeten gaan. Maar hoe komen ze die signalen op het spoor? Hoe ziet hun ‘neus’ eruit? De beelden die we maken met behulp van cryo-elektronentomografie laten zien dat veel bacteriën grote chemoreceptoren hebben. Die helpen hen bijvoorbeeld suikers op te sporen in hun omgeving.’
Kunt u uitleggen wat cryo-elektronentomografie is?
‘Het is een relatief nieuwe techniek, die ons voor het eerst in staat stelt te kijken naar bacteriën in hun natuurlijke staat, op moleculaire resolutie en in drie dimensies. Elektronenmicroscopie (EM) maakt gebruik van elektronen om een beeld te vormen. Doordat de golflengte van elektronen veel korter is dan die van het licht, kan deze methode veel hogere resoluties bereiken dan lichtmicroscopie. Maar om elektronen te gebruiken voor het genereren van beelden moet je werken in een vacuüm, om te voorkomen dat de elektronen verstrooid raken door de atmosfeer. Biologisch materiaal zit vol water, en dat moet worden verwijderd voordat het monster kan worden afgebeeld met traditionele EM. Anders zou het water verdampen in het vacuüm, waardoor het monster beschadigd zou raken.
In plaats van het verwijderen van het water en het veranderen van de structuur van de monsters, bevriezen we de cellen heel snel. Dat moet zo snel gebeuren dat het water geen ijskristallen kan vormen. Daardoor blijven de cellen intact en kunnen we ze in hun natuurlijke staat in beeld brengen. We verzamelen een groot aantal beelden door elk monster in de microscoop rond te draaien. Daardoor krijgen we beelden van de cel vanuit allerlei verschillende invalshoeken, en daaruit genereren we met de computer een 3D-weergave van de cellen.’
Wat zijn de toepassingen van dit soort onderzoek?
‘De inzichten die we krijgen in bacteriën, kunnen een basis vormen voor de ontwikkeling van nieuwe behandelingen tegen ziekten. Als we weten hoe potentieel schadelijke bacteriën hun ‘neus’ gebruiken om een gastheer binnen te dringen, kan die kennis ons helpen infecties te voorkomen. We beginnen nu een onderzoek naar v.cholerae, de microbe die cholera veroorzaakt. Dat onderzoek kan tot nieuwe inzichten leiden, die kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen tegen cholera. En er zijn ook andere mogelijke toepassingen van dit type onderzoek, zoals het gebruik van bacteriën bij het verwerken van giftig afval. Maar mijn onderzoek is voornamelijk fundamenteel: ik wil precies weten hoe het zintuiglijke systeem van bacteriën werkt. Wie weet waar die kennis in de toekomst voor gebruikt zal worden.’
Maakt u veel gebruik van de apparatuur van het Netherlands Center for Electron Nanoscopy (NeCEN)?
‘Ja, daar heb ik heel veel aan. Sterker nog, NeCEN was voor mij de belangrijkste reden om naar Leiden te komen. Het is een geweldige faciliteit voor cryo-elektronentomografie, want het heeft twee van de beste microscopen die momenteel op de markt zijn. En het ondersteunend personeel biedt deskundige ondersteuning ter plekke. Het kweken van cellen en het voorbereiden van de monsters doen we in ons eigen lab, maar het maken van de beelden gebeurt bij NeCEN.’
Dit type beeldvormingstechnieken genereert waarschijnlijk grote hoeveelheden data?
'Ja, absoluut. Iedere dataset bestaat uit 121 hoge-resolutiebeelden, die allemaal weer kunnen worden opgesplitst in 10 subframes. De hoeveelheid data groeit dus snel. In mijn vorige lab hebben we meer dan 30.000 van die datasets verzameld tijdens mijn tijd daar. Hier in Leiden we zijn net begonnen met het verzamelen van data, dus we zijn nog bezig een datamanagement-systeem op te zetten. Het omgaan met al die data zal voor ons een belangrijke kwestie worden, dus ik hoop daarin samen te werken met Informatica.’
Hoe analyseert u al die data?
‘Op dit moment verwerken we iedere dataset nog handmatig. Maar we zijn van plan software te gaan gebruiken die het meeste automatisch kan doen: het verwerken en reconstrueren van de data en het genereren van video's. In mijn vorige lab hadden we daarvoor een mooi systeem opgezet, dat bespaarde ons veel tijd.’
Hoe denkt u dat uw vakgebied zal ontwikkelen in de toekomst?
‘Een van de grootste beperkingen in cryo-elektronentomografie tot nu toe is dat de monsters die je gebruikt heel dun moeten zijn, omdat de elektronenbundel erdoorheen moet kunnen. Dat is waarom er veel onderzoek is gedaan naar bacteriën, omdat die van nature dun en klein zijn. Maar de ontwikkeling van nieuwe technieken zal ons toelaten om grotere monsters, zoals menselijke cellen en weefsels, te bevriezen, en ze vervolgens in hele dunne plakjes te snijden, om het maken van beelden met behulp van EM mogelijk te maken. Dat opent de deur naar allerlei nieuwe onderzoeksmogelijkheden. Deze zomer krijgen we bij het IBL zo’n apparaat, waarmee we beelden kunnen maken van dikkere monsters. Daarmee kunnen we gaan kijken naar gastheer-microbe interacties, dus daar ben ik erg blij mee.’
Ariane Briegel voltooide haar master in de biologie aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München, waar ze een grondige training kreeg in de traditionele elektronenmicroscopie-technieken. Daarna behaalde Briegel haar doctoraat aan het Max Planck Instituut voor Biochemie in Martinsried, Duitsland. Vervolgens werkte ze als postdoc in het laboratorium van professor Grant Jensen aan het California Institute of Technology (Caltech, Pasadena, USA), waar ze doorging met haar onderzoek naar cryo-elektronentomografie als een instrument voor het begrijpen van microbiële ultrastructuur. In december 2015 werd Briegel benoemd tot hoogleraar Ultrastructuurbiologie aan de Universiteit Leiden, waar ze haar eigen lab opzette.
In deze serie interviews komen onderzoekers van het Leiden Centre of Data Science (LCDS) aan het woord. LCDS is een netwerk van onderzoekers uit verschillende wetenschappelijke disciplines, die gebruik maken van innovatieve methodes voor het omgaan met grote hoeveelheden data. Het doel van samenwerking tussen deze onderzoekers is het vinden van slimme oplossingen voor wetenschappelijke en maatschappelijke kwesties.