Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een geminiaturiseerde omgeving gecreëerd om het ecosysteem rond populierenwortels te bestuderen om inzicht te krijgen in de gezondheid van planten en koolstofvastlegging in de bodem.

Het rhizosphere-on-a-chip-platform bouwt voort op de geschiedenis van het lab van het bouwen van lab-on-a-chip-apparaten, waarin kleine kanalen en kamers op een microscoopglaasje worden geëtst, zodat vloeistoffen kunnen worden geïntroduceerd en bestudeerd voor onderzoek naar biochemische scheidingen en testen.

In dit geval bootsen wetenschappers grond op de chip na, ontkiemen populieren in de vloeistof en bestuderen ze de omgeving rond hun wortels, de rhizosfeer. Wetenschappers observeren hoe microben interageren met chemicaliën in de kunstmatige bodem om de gezondheid van planten te beïnvloeden en een beter begrip te krijgen van de processen die koolstofopslag regelen.

De rhizosfeer is een van de meest complexe systemen ter wereld, waarin plantenwortels water en voedingsstoffen opnemen, een unieke fysieke en biogeochemische omgeving voor microben creëren en atmosferische koolstof in de bodem uitstoten. Er kunnen honderden verschillende bacteriën zijn die in de buurt van plantenwortels groeien of worden beïnvloed door de rhizosfeer. ORNL-onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in hoe microben zoals bacteriën en schimmels interageren met plantenwortels om planten te helpen sneller te groeien en bedreigingen zoals droogte, natuurbranden, ziekten en plagen te overleven.

"Het is erg moeilijk om in de bodem te kijken om die processen te observeren, omdat de deeltjes erg donker zijn", zegt Jack Cahill van ORNL's Biosciences Division.

Met Rhizosphere-on-a-chip kunnen de onderzoekers modelsystemen maken en vervolgens technieken zoals massaspectrometrie gebruiken om chemicaliën en hun verspreiding rond plantenwortels te identificeren. Die kennis vormt de basis voor een analyse van chemische interacties in het ecosysteem, zoals chemische signalen van planten om microben aan te trekken of af te weren. Het gebruik van het chipsysteem bespaart ook monsters door slechts een kleine hoeveelheid vloeistof van het platform te verwijderen en planten te laten groeien.

De tafel dekken voor de wetenschap

"Met behulp van massaspectrometrie kunnen we het gesprek tussen deze levende systemen van planten, schimmels en microben afluisteren om erachter te komen hoe en waarom ze de gekke dingen doen die ze doen", zegt Scott Retterer, hoofd van de sectie Nanomaterialensynthese bij ORNL en heeft het platform mede ontwikkeld met behulp van de nanofabricagefaciliteiten binnen het Centre for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL.

"Ik beschrijf het als een mooie vissenkom," zei Retterer. "Behalve dat onze vissenkom zo groot is als een microscoopglaasje, en de hulpmiddelen die we gebruiken om die omgeving vorm te geven, zijn dezelfde soorten hulpmiddelen die Intel gebruikt om microchips te maken. Dan geven we een etentje in de vissenkom voor bacteriën, planten en schimmels. dek de tafel met eten en kijk hoe dat het feest beïnvloedt."

Wetenschappers van ORNL die het platform gebruiken, hebben bijvoorbeeld hoge concentraties aminozuren gevonden die heel dicht bij plantenwortels liggen - een fenomeen dat voorheen ongezien was gebleven. Hoewel ooit werd gedacht dat die verbindingen zich door de bodemstructuur verplaatsen en verdunnen, is dat niet het geval, zei Cahill.

"De vloeistofdynamica in deze chipsystemen is beperkt, dus het laat ons concentraties van moleculen zien die je niet per se zou verwachten zonder deze direct te kunnen meten met behulp van het chipplatform," voegde hij eraan toe.

Inzichten verkrijgen voor betere planten

Voor ORNL's bio-energieonderzoek is de impact "een beter begrip van hoe planten, microben en hun chemische toestanden zich tot elkaar verhouden. Als we dit kunnen voorspellen en beheersen, kunnen we die kennis gebruiken om planten te ontwikkelen die milieubestendig zijn, die sneller groeien , zijn goedkoper om te produceren en (zijn) daarom meer geschikt voor economische productie van duurzame biobrandstoffen," zei Cahill.

De ruimtelijke beeldvormingstechnieken die door ORNL-onderzoekers zijn ontwikkeld, kunnen ook worden gebruikt voor farmacologisch onderzoek om te bepalen of geneesmiddelverbindingen het menselijk lichaam effectief bereiken en door het menselijk lichaam worden geabsorbeerd als onderdeel van hun "tumor-on-a-chip" -experimenten, die soortgelijke tests zouden kunnen vervangen bij muizen.

"De grote wetenschappelijke hulpmiddelen die we hier in het nationale laboratorium hebben en de toevallige interacties met wetenschappers van alle rangen en standen is echt wat ons voortstuwt bij het ontwikkelen van deze nieuwe onderzoeksplatforms," ​​zei Retterer. "Het is als een grote wetenschappelijke potluck waarbij je je favoriete gerecht meeneemt en deelt. Ze worden allemaal door elkaar gemengd op het bord en dan hebben we plotseling deze geweldige rhizosfeer-op-een-chip."

Retterer benadrukte ook de rol van onderzoeksteams, die "deze grote ideeën tot leven brengen. Het zijn onze technici, postdocs en studenten die interdisciplinair onderzoek mogelijk maken."

Het onderzoek is gepubliceerd in Lab on a Chip . Collega's die bij ORNL aan het project werken, zijn onder meer Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy en Amber Webb. Jayde Aufrecht heeft het platform mede ontwikkeld als afgestudeerde student bij ORNL en werkt nu bij Pacific Northwest National Laboratory, waar ze blijft samenwerken aan het onderzoek. + Verder verkennen

Het ontsluiten van een betere koolstofvastlegging in de bodem door siliciumafzettingen in planten te bestuderen