Forskare vid ORNL har skapat en forskningsplattform för rhizosphere-on-a-chip, en miniatyriserad miljö för att studera ekosystemet kring poppelträdsrötter för insikter i växthälsa och markens kolbindning. Kredit:Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har skapat en miniatyriserad miljö för att studera ekosystemet runt poppelträdrötter för insikter i växthälsa och markens kolbindning.
Rhizosphere-on-a-chip-plattformen bygger på labbets historia av att konstruera lab-on-a-chip-enheter, där små kanaler och kammare etsas på ett objektglas så att vätskor kan införas och studeras för biokemisk separationsforskning och testning.
I det här fallet efterliknar forskare jord på chipet, spirar poppelträd i vätskan och studerar miljön runt deras rötter, känd som rhizosfären. Forskare observerar hur mikrober interagerar med kemikalier i den konstgjorda jorden för att påverka växternas hälsa och få en bättre förståelse för processerna som styr kollagring.
Rhizosfären är ett av de mest komplexa systemen i världen, där växtrötter tar upp vatten och näringsämnen, skapar en unik fysisk och biogeokemisk miljö för mikrober och släpper ut atmosfäriskt kol i marken. Det kan finnas hundratals olika bakterier som växer nära växtrötter eller som påverkas av rhizosfären. ORNL-forskare är särskilt intresserade av hur mikrober som bakterier och svampar interagerar med växtrötter för att hjälpa växter att växa snabbare och överleva hot som torka, skogsbrand, sjukdomar och skadedjur.
"Det är väldigt svårt att se inuti jorden för att observera dessa processer eftersom partiklarna är väldigt mörka", säger Jack Cahill på ORNL:s Biosciences Division.
Rhizosphere-on-a-chip tillåter forskarna att skapa modellsystem och sedan använda tekniker som masspektrometri för att identifiera kemikalier och deras fördelning runt växtrötter. Den kunskapen ger en analys av kemiska interaktioner i ekosystemet, såsom kemiska signaler från växter för att attrahera eller stöta bort mikrober. Att använda chipsystemet sparar också prover genom att bara ta bort en liten mängd vätska från plattformen och låta plantorna fortsätta växa.
Ett poppelträd växer från en mikrofluidisk kanal som en del av rhizosphere-on-a-chip-plattformen utvecklad vid ORNL. Kredit:Carlos Jones, ORNL/U.S. Avdelningen för energi
Dukning för vetenskap
"Med hjälp av masspektrometri kan vi avlyssna samtalet mellan dessa levande system av växter, svampar och mikrober för att ta reda på hur och varför de gör de galna sakerna de gör", säger Scott Retterer, som leder Nanomaterials Synthesis Section på ORNL och samutvecklade plattformen med hjälp av nanotillverkningsfaciliteter inom Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science-användaranläggning på ORNL.
"Jag beskriver det som en fancy fishbowl," sa Retterer. "Förutom att vår fiskskål är lika stor som ett objektglas, och de verktyg vi använder för att forma den miljön är samma slags verktyg som Intel använder för att tillverka mikrochips. Sedan bjuder vi på en middag i fiskskålen för bakterier, växter och svampar. Vi duka med mat och se hur det påverkar festen."
ORNL-forskare som använder plattformen har till exempel funnit höga koncentrationer av aminosyror mycket nära växtrötter - ett fenomen som tidigare hade försvunnit. Medan dessa föreningar en gång troddes röra sig och spädas ut över markstrukturen, är det inte fallet, sa Cahill.
"Flödesdynamiken i dessa chipsystem är begränsad, så den låter oss se koncentrationer av molekyler som du inte nödvändigtvis skulle kunna förutse utan att kunna mäta det direkt med hjälp av chipplattformen", tillade han.
Jack Cahill placerar en rhizosphere-on-a-chip slide för avbildning med masspektrometri vid ORNL. Kredit:Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Få insikter för bättre växter
För ORNL:s bioenergiforskning är effekten "en bättre förståelse för hur växter, mikrober och deras kemiska tillstånd relaterar till varandra. Om vi kan förutsäga och kontrollera detta kan vi använda den kunskapen för att utveckla växter som är miljöresistenta, som växer snabbare , är billigare att producera och (är) därför mer lämpade för ekonomisk produktion av hållbara biobränslen," sa Cahill.
De rumsliga avbildningstekniker som utvecklats av ORNL-forskare kan också användas för farmakologisk forskning för att avgöra om läkemedelsföreningar effektivt når och absorberas av människokroppen som en del av deras "tumör-på-ett-chip"-experiment, som skulle kunna ersätta liknande tester hos möss.
"De stora vetenskapsverktygen vi har här på det nationella labbet och den överlägsna interaktionen med forskare av alla slag är verkligen det som driver oss med att utveckla dessa nya forskningsplattformar," sa Retterer. "Det är som en stor vetenskaplig potluck där du tar med din favoriträtt och delar den. De blandas alla på tallriken och plötsligt har vi en fantastisk rhizosphere-on-a-chip."
Retterer betonade också rollen för forskarteam, som "för dessa stora idéer till liv. Det är våra tekniker, post-docs och studenter som gör tvärvetenskaplig forskning möjlig."
Scott Retterer undersöker mikroskopiska bilder tagna av miljön kring poppelträdsrötter med hjälp av rhizosphere-on-a-chip-plattformen. Kredit:Carlos Jones, ORNL/U.S. Avdelningen för energi
Forskningen publiceras i Lab on a Chip . Kollegor som arbetar med projektet på ORNL inkluderar Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy och Amber Webb. Jayde Aufrecht var med och utvecklade plattformen som doktorand vid ORNL och arbetar nu på Pacific Northwest National Laboratory, där hon fortsätter att samarbeta i forskningen. + Utforska vidare
