Naukowcy z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego odtworzyli trójwymiarowy obraz struktury gąbek słodkowodnych, by podpatrzyć pewne mechanizmy, które wykształciły się w ciągu milionów lat w tych prymitywnych organizmach. W tym celu wykorzystali zaprojektowaną przez siebie metodę globalnej analizy struktury wewnętrznej.

Rok temu podczas badań prowadzonych w Zbiorniku Goczałkowickim naukowcy odkryli kolonie słodkowodnych gąbek (Spongilla lacustris). To wielokomórkowe, kolonijne organizmy wodne, które wbrew pozorom są mało poznane. 

Aby zbadać wewnętrzną strukturę goczałkowickich gąbek, naukowcy przygotowali najpierw obrazy zrobione przy pomocy mikroskopu skaningowego (SEM). Na zdjęciach widoczne są między innymi otwory, którymi przez ciało gąbki przepływa woda czy wiązki spikul tworzących szkielet organizmu. Obrazy te, choć pozwalały zobaczyć elementy budowy obiektu w powiększeniu, nie dostarczały jednak wystarczających informacji o ich wewnętrznej strukturze. Naukowcy postanowili więc wykorzystać do dalszej analizy mikrotomografię komputerową. Dzięki niej wnętrze gąbki okazało się swoistym mikrokosmosem. 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, którego identyfikacja okazała się możliwa dopiero po zastosowaniu tomograficznego obrazowania.

Dzięki wykorzystaniu autorskiej techniki wizualizacji  powierzchni gąbki, naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego stworzyli trójwymiarowy model badanego organizmu. Zaletą zaproponowanej techniki jest znacznie mniejsza ingerencja w strukturę obiektu. Tradycyjne metody wymagały między innymi odpowiedniego przygotowania próbek do badania wymagających krojenia organizmu na mikrofragmenty.  To sprawiało, że część informacji już na początku była tracona. Nowa technika pozwala badań organizm bez naruszenia jego struktury, co ma znaczenie dla odkrywania mechanizmów funkcjonowania organizmu jako całości.

Przygotowanie obiektu polega na poddaniu go liofilizacji, czyli zamrożeniu całego organizmu do temperatury -200°C i odparowaniu zgromadzonej w nim wody. Dzięki sublimacji jego struktura pozostaje nienaruszona, natomiast pozbycie się wody umożliwia zredukowanie ilości szumów w otrzymanym później obrazie. Następnie wykonuje się zdjęcie tak przygotowanego obiektu przy pomocy mikrotomografu komputerowego. Naukowcy otrzymują obraz cieni na bazie których próbują odtworzyć strukturę 3D badanego obiektu.

Widoczne cienie muszą zostać następnie zidentyfikowane i opisane. Wskazują one miejsca mniej i bardziej przezroczyste dla promieniowania X. Poszczególne części budowy nakładają się na siebie w uzyskanym obrazie, dlatego naukowcy zastosowali systemy filtrów umożliwiających rozkładanie obrazu na poszczególne warstwy. Jednym z nich jest filtr kształtu pozwalający oddzielić na przykład elementy podłużne będące częścią szkieletu gąbki od kulistych, tworzących warstwę gemul odpowiedzialnych za rozprzestrzenianie się gąbek.

Uzyskany w ten sposób komputerowy model obiektu składa się z wielu warstw, które można dowolnie konfigurować. Dzięki niemu naukowcy widzą strukturę szkieletu gąbki, przestrzenne rozmieszczenie gemul czy obecność bakterii oraz innych organizmów.

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

Technika wizualizacji oparta na wykorzystaniu mikrotomografii komputerowej może być zastosowana do badania każdego obiektu, począwszy od drewna, poprzez pająki, skończywszy na człowieku. Dzięki niej otrzymuje się komputerowy model trójwymiarowy, dostarczający nie tylko nowych informacji o obiekcie, lecz również gotowy do wydrukowania na przykład w drukarce 3D.

Zespół realizujący projekt tworzą: dr Jagna Karcz, dr hab. Joanna Szymanowska-Pułka, mgr Jerzy Karczewski, dr Tytus Bernaś oraz dr Andrzej Woźnica.

Małgorzata Kłoskowicz

__________________________

Pełna wersja artykułu "Co masz w środku, gąbko?" ukazała się drukiem w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ [nr 10 (240) lipiec–wrzesień 2016]

Więcej o odkryciu w Zbiorniku Goczałkowickim pisaliśmy w artykule: 
Niezwykłe odkrycie w Zbiorniku Goczałkowickim

Spongilla lacustris. Fot. Andrzej Woźnica
Spongilla lacustris. Fot. Andrzej Woźnica
Spongilla lacustris. Fot. Andrzej Woźnica
Okrzemki na powierzchni gąbki - nadecznika stawowego (Spongilla lacustris L). Fot. Jagna Karcz
Powierzchnia nadecznika stawowego (Spongilla lacustris L) obserwowana w elektronowym mikroskopie skaningowym. Widoczne mikrosklereidy na powierzchni ciała oraz wiązki makrosklereidów budujących szkielet gąbki. Fot. Jagna Karcz
Mgr Jerzy Karczewski i dr Andrzej Woźnica