Fluorescence in situ hybridisation (FISH) is a powerful tool to make hidden cellular and smaller molecular structures visible. This is achieved by using different probes connected to different light emitting substances (for example fluorophores). Common are probes which bind to DNA. However, in the picture below (Fig. 1) Markus Petzold and me performed a FISH analysis to identify methane producing microbials (methanogens) from within a microbial enrichment sample by making use of probes which attached to certain sequences of 16S ribosomal RNA (rRNA). 16S rRNA is highly conserved and specific among species and enabled us via tripple crossprobing to identify a methanogenic species within the sample. This species seems to be the archeon Methanosarcinales.

 16S rRNA FISH analysis of 29 day granular WWTP methanogenic sludge enrichment

Fig. 1: FISH colored aggregates of microorganisms from a granular sludge day 29 methane enrichment. (A) Methanogenic Methanosarcinales are depicted in purple together with eubacteria coloured in green. In (B) aggregates of archea with in light purple Methanosarcinales are shown.

In crossprobing three different colours are used that stand for one condition each. Examples of conditions that help to identify microbial species from a sample are for example domain, phylum and species. Unique colour combinations (we used Cy3, Cy5 and Fluos in different combinations) make it thus possible to denote a species, a phylum or a domain which is present within the sample.

Advertisements

Inspiring lectures

April 12, 2011

Bob Goldstein (Cell Biology) from the University of North Carolina at Chapel Hill had the great idea to design posters to attract more students to interesting and distinguished lectures about various topics from molecular and cellular biology. The posters are designed and screenprintend in collaboration with the band-poster experienced people at The Merch. 50 copies are printed per event (1). Needless to say they are quite popular among students, so have a look at a compilation of a selection of these interesting and innovative posters (Fig. 1).

Compilation of Goldstein PostersFig 1: A selection of some nice and fascinating posters which originate from the University of North Carolina at Chapel Hill, are used for lecture advertisement purposes, and are highly demanded by students (2).

(1) http://www.zeit.de/studium/uni-leben/2011-04/plakate-wissenschaft (12-04-2011, 00:20 h)

(2) From various sources.

“Simplicity” is a keyword when it comes to Life Technologies latest DNA sequencing technology called “Ion torrent”. As the company announced on its homepage only “simplest sequencing chemistry” is used during the process of DNA sequencing. In nature when a new nucleotide is incorporated into the DNA a hydrogen ion is released in order to form a phosphodiester bond between the two new neighbours within the DNA macromolecular structure (Figure 1). On the other hand it should not be forgotten that “simplicity” is not the only keyword in this process. “Technology” is at least the second essential term describing ion torrent sequencing, since extremely small changes in the hydrogen ion concentration have to be detected.

Figure 1: Nucleotide incorporation by a polymerase. Every nucleotide incorporation releases an ion which in turn can be detected as a pH change associated with one of the nucleotides (A, T, G or C) that are supplied in consecutive order. This leads to sequence information of the leading and lagging strand (1).

A little number of hydrogen ions causes only small pH change per incorporated nucleotide, so the detecting technology must be quite refined and a little bit less trivial than the idea behind the original project (even though sequencing is performed in a massively parallel way so signals become stronger).  One of the smallest ever-constructed solid-state pH meters detects the ion caused pH change and converts the chemical into digital information. This centerpiece of the machine is in essence a semiconductor chip which holds 1.5 million sensors which are connected to one well each. Within those wells the single-stranded sample DNA strands are contained, one strand per well. Subsequent steps lead now to the synthesis of the complementary strand by adding one nucleotide type at a time in repeating cycles. Information about the changing hydrogen ion concentration (pH) is now connected with information when which nucleotide was inserted. Complete sequence information is thus available.

I am not an expert, but personally I think that this innovation will bring DNA sequencing to a next level by making this technology available to a wide array of professions and research fields. This seems probable since an Ion Torrent sequencer is priced at $50,000 which is only one tenth of the price of a conventional sequencer. The price per sequenced base, however, has to be considered also since the chip has to be disposed after usage (2). The people at Life Technologies expect that the prices for the chips will drop eventually with each machine that is sold. The future is thus becoming more defined for the fields of DNA based diagnostics and personal medicine.

Sources:

(1) http://www.iontorrent.com/the-simplest-sequencing-chemistry/ (23-02-2011, 10:30h)

(2) http://www.technologyreview.com/biomedicine/26850/?a=f  (08-04-2011, 10:30h)   

Since I will start with a microbiology instership shortly I am kind of into microorganisms  right now. This is an article in Dutch I wrote about the fantastic radiation resistance of the bacterium Deinococcus radiodurans. I wrote this piece of work for a university course on writing skills under the impact of the Fukoshima nuclear powerstation catastrophe.

Conan de bacterie

De mens in kwetsbaar. Zelfs Hollywood acteur Arnold Schwarzenegger in zijn rol als “Conan the Barbarian” is niet te vergelijken met andere organismen als het gaat om de effecten van radioactieve straling. Een nucleaire ramp zoals tegenwoordig in Japan gebeurt heeft dus een enorme directe invloed op alle mensen die in de dichtbije omgeving leven, maar ook een lange termijn invloed op alle mensen die er ver vandaan wonen. Toch zijn er organismen op aarde voor wie het helemaal niet uitmaakt als ze zich dichtbij nucleaire straling bevinden. Een voorbeeld hiervan is Deinococcus radiodurans.

Deinococcus radiodurans (D. radiodurans) is een bacterie die hoort tot een klasse van polyextremofiele bacteriën. Dit betekent dat ze in staat zijn om onder extreme omstandigheden te overleven die voor de meeste andere organismen dodelijk zouden zijn. D. radiodurans is dus bijvoorbeeld immuun tegen kou, uitdroging, vacuüm en een zure omgeving. Door deze eigenschappen is D. radiodurans ook wel bekend onder de naam “Conan de bacterie”. De meest verbazingwekkende eigenschap van D. radiodurans is echter dat het bijna immuun is tegen radioactieve gammastraling. Op aarde is dit een fenomeen dat extreem zelden optreed, mede omdat het DNA en alle eiwitten zeer kwetsbaar zijn voor deze sterke straling. Maar waarom is deze straling eigenlijk zo gevaarlijk? En waarom zijn sommige organismen zoals D. radiodurans er blijkbaar immuun tegen?

De basis – Wat doet straling eigenlijk?

Veel van de straling waarmee we iedere dag te maken hebben is elektromagnetische straling en ze dekt een heel groot spectrum van fenomenen, zoals licht, af. Hoe langer de golven, hoe minder energie bevatten de fotondeeltjes in zo een golf, hoe korter de golven, hoe meer energie bevatten de fotonen. Sommige straling met een extreem korte golflengte, zoals röntgenstraling of de straling die bijvoorbeeld in Japan optreedt, bevat namelijk zoveel energie dat ze in staat is door de huid en celmembranen te breken. Het probleem is echter niet dat de straling in staat is door de huid te breken maar dat ze het vermogen bezit om belangrijke stoffen zoals DNA en eiwitten te veranderen. Straling waarbij dit risico bestaat noemt men ioniserende straling. Alfa, bèta en gamma straling zijn een belangrijk onderdeel hiervan. Fotonen (alfa en beta straling) en atomkernen (gamma straling) die bij het splitsen van radioactieve atomen vrijkomen, bevatten genoeg energie om negatief geladen elektronen van normaal gesproken niet geladen lichaamseigen moleculen af te splitsen. Omdat de moleculen nu een echte lading hebben noemt men ze door de straling “geïoniseerd”. Deze moleculen worden ook “vrije radicalen” genoemd en bevatten dus een vrij elektron. Hierdoor zijn deze atomen erg reactief en zijn in staat om verbindingen aan te gaan met bijna alle moleculen die in de buurt liggen. In het lichaam heeft dit extreem negatieve consequenties. Het DNA verliest haar coderende structuur en eiwitten en enzymen verliezen hun functie. Belangrijke stofwisselingsprocessen en de nieuwe aanmaak van eiwitten gaan nu mis. Dit geld in theorie natuurlijk ook voor D. radiodurans. In de praktijk blijkt dit echter niet zo te zijn (figuur). Op de vraag hoezo dit zo is heeft de wetenschap de afgelopen jaren een aantal antwoorden kunnen vinden.

 

In de figuur wordt de tolerantie van de mens en D. radiodurans tegen straling vergeleken. Het valt op dat deze organismen met een factor 1000 meer immuun tegen straling zijn dan de mens.

Conan van binnen

Sinds 1959 weet men al dat D. radiodurans bestaat maar pas in 1999 werd voor het eerst het genoom ontrafeld en sommige mechanismen voor stralingsresistentie zijn sindsdien verklaarbaar geworden. Ten eerste bevat dit organisme meerdere kopieën van zijn genoom. Als tenminste een hiervan onveranderd is dit al voldoende om te overleven. Ten tweede beschikt D. radiodurans over een extreem snel en efficiënt werkend DNA repair system. Zelfs zware verstoringen zoals een chromosoom breuk worden binnen 12-24 uur via een twee-staps proces hersteld. Stap één verbindt de chromosoom fragmenten weer met elkaar, dit wordt single-strand annealing genoemd. Tijdens de tweede stap lost een enzym de betrokken gebieden op en fuseert het DNA weer. Men noemt dit homologe recombinatie. In tegenstelling tot de mens veroorzaakt dit proces geen extra mutaties. In 2007 is ook nog een additionele manier van bescherming bekend geworden. Molecuul constructen met het atoom mangaan, dat in de natuur niet vaak voorkomt, werken als anti-oxidanten en vangen door straling geïoniseerde atomen weg. Ze beschermen op deze manier de cel. Twee jaar geleden werd bovendien duidelijk dat een verbinding van stikstof en zuurstof belangrijk is voor celgroei en celdeling nadat DNA schade is opgetreden.

Wetenschap in het donker

Helaas zijn alle antwoorden nog niet voldoende om volledig te kunnen verklaren hoezo dit organisme deze verbazingwekende eigenschappen bezit. Alle genoemden herstel- en wegvangmechanismen blijken niet krachtig genoeg te zijn. Bovendien: Hoe komt het nu eigenlijk, als men de ontwikkelingsgeschiedenis bekijkt, dat D. radiodurans zo immuun is tegen straling? Op aarde bedraagt de natuurlijke gemiddelde straling per jaar namelijk maar 0.004 Gray per jaar. Een resistentie tot 10,000 Gray is dus eigenlijk niet nodig. Een vermoeden is dat de resistentie toeval is en vooral met droogte tolerantie te maken heeft. Als men namelijk sommige herstel mechanismen muteert, verliest de bacterie zijn droogtetolererend vermogen.

Veel van de waarheid over deze bacterie ligt dus nog verborgen in het donker. Misschien wordt dus bijvoorbeeld in de toekomst nog duidelijk of, zoals wetenschappers speculeren, D. radiodurans een gast uit het heelal is. Hier is de straling namelijk erg hoog en het watergehalte zeer laag. Maar misschien is de bacterie ook “gewoon” op aarde geëvolueerd. Ook in dit laatste geval blijft er nog wel veel om te ontdekken. Wellicht laten zich er in de toekomst zelfs medische toepassingen, gebaseerd op D. radiodurans, afleiden die de mens beter tegen de vreselijke gevolgen van straling kunnen beschermen.