Wissenschaft

Neues Verfahren misst gleichzeitig Fluss und Sauerstoff

Korallen beim Atmen zusehen: Eine spezielle Kamera zeichnet auf, wie sauerstoffempfindliche Partikel an der Korallenoberfläche vorbeiströmen. Dadurch können die Forscher die Wechselwirkung zwischen Strömungsfeld und Sauerstoffkonzentration direkt sehen. Bildnachweis: Max-Planck-Gesellschaft

Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen, der Universität Aarhus und des Science for Life Lab in Uppsala hat winzige Partikel entwickelt, die die Sauerstoffkonzentration in ihrer Umgebung messen. Auf diese Weise können sie Flüssigkeitsströmung und Sauerstoffgehalt gleichzeitig verfolgen, was spannende Perspektiven für viele Forschungsgebiete von der Biologie bis zur Physik bietet.

Die Oberfläche einer Koralle ist zerklüftet. Sein hartes Skelett ist von Polypen bevölkert, die ihre Tentakel in das umgebende Wasser strecken, um Nahrung herauszufiltern. Doch wie genau fließt das Wasser über die Korallenoberfläche, welche Wirbel und Strömungen entstehen und was bedeutet das für die Sauerstoffversorgung rund um die Koralle und die damit verbundenen Algen? Auf diese Fragen gab es bisher keine Antwort. Nun hat ein internationales Forscherteam um Soeren Ahmerkamp vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen, Klaus Koren von der Universität Aarhus in Dänemark und Lars Behrendt von der Universität Uppsala und dem SciLifeLab in Schweden eine Methode entwickelt, mit der sich Strömung und Sauerstoffkonzentrationen untersuchen lassen gleichzeitig in sehr kleinen Maßstäben. Nun ist zu sehen, wie die Korallen mit ihren Flimmerhärchen eine Strömung erzeugen und so den Sauerstofftransport erhöhen.

Präzise und schnell wie nie zuvor

Sauerstoff und Leben sind untrennbar miteinander verbunden, von einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Organismen. Innerhalb weniger Mikrometer und innerhalb von Millisekunden können sich die Sauerstoffkonzentrationen aufgrund von Strömungen oder der Aktivität von Organismen ändern. Existierende Verfahren messen typischerweise Sauerstoffkonzentrationen und Flüsse separat und infolgedessen konnten viele Korrelationen zwischen diesen beiden Parametern nicht erkannt werden. Ahmerkamp und seine Kollegen tun dies nun auf einen Schlag: Sie messen Sauerstoffkonzentrationen und -fluss gleichzeitig und mit bisher unerreichter Genauigkeit und Geschwindigkeit. Die Forscher tauften ihre neu entwickelte Methode sensPIV. PIV ist die Abkürzung für Particle Image Velocimetry, ein etabliertes Verfahren zur Strömungsmessung mit Partikeln.

Der Fluss neu entwickelter Partikel über die Korallenoberfläche ist deutlich sichtbar. Bildnachweis: Max-Planck-Gesellschaft

Die Arbeit war eine technische Herausforderung. Im Detail gelang es dem Team, winzige Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer herzustellen, die mit einem Leuchtfarbstoff getränkt sind (zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometern). Dieser Farbstoff leuchtet umso heller, je weniger Sauerstoff vorhanden ist. „Besonders wichtig war, dass die Partikel sehr schnell auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration reagieren. Außerdem brauchten wir spezielle Kameras, um die Fluoreszenz genau aufzuzeichnen“, erklärt Co-Autor Farooq Moin Jalaluddin vom Bremer Max-Planck-Institut. Er fügt hinzu: „Mit der sensPIV-Methode sensPIV sind wir in der Lage, schnelle und kleinräumige Flüssigkeitsströmungen aufzulösen.“

Nützlich in Medizin, Biologie und vielem mehr

Die Einsatzmöglichkeiten von sensPIV sind vielfältig. Viele Organismen interagieren mit Sauerstoff und so kann sensPIV Antworten auf offene Fragen der Lebenswissenschaften liefern. Ahmerkamp und seine Kollegen haben damit zum Beispiel nicht nur Korallen untersucht, sondern sich auch genau angeschaut, wie Sauerstoff durch Sand strömt. Auch kleinräumige Stoffwechselvorgänge in Mikroben, Tieren und Pflanzen können so untersucht werden. Zahlreiche weitere Anwendungen ergeben sich in der Mikrofluidik, die untersucht, wie sich Flüssigkeiten auf kleinstem Raum verhalten, und in der Medizin.

Das Video zeigt die Reaktion von sensPIV-Partikeln auf Änderungen des Sauerstoffgehalts. Links: Lumineszenz/Strömungsfeld. Rechts: Sauerstoffkonzentration. In regelmäßigen Abständen wird sauerstofffreies Wasser in die Probe gepumpt, was zu einer Blauverfärbung im Bild führt. Bildnachweis: Max-Planck-Gesellschaft

Die erste Idee zu dieser Methode entstand bereits vor einigen Jahren. „Aber nur durch das tolle internationale Team und unsere enge Zusammenarbeit war es möglich, dass aus der Idee nun eine funktionale und vielseitige Anwendung geworden ist“, sagt Ahmerkamp. Nun ist das Team gespannt auf die kommenden Anwendungen der Methode. „Die Partikel sind nicht schwer herzustellen, wenn man weiß wie“, sagt Klaus Koren. Auch über eine Weiterentwicklung der Methode wird nachgedacht: „Wir möchten sensPIV auch für andere Substanzen als Sauerstoff empfänglich machen. Klaus arbeitet bereits daran“, ergänzt Lars Behrendt.

Die Forschung erscheint in Cell Reports Methods.

Vergangene Ereignisse zeigen, wie eine zukünftige Erwärmung Kaltwasserkorallen schädigen könnte Weitere Informationen: Soeren Ahmerkamp, ​​Simultaneous visualisation of flow fields and oxygen konzentrierts to unravel transport andmetabolists inbiological systems, Cell Reports Methods (2022). DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100216. www.cell.com/cell-reports-meth … 2667-2375(22)00079-0 Bereitgestellt von der Max-Planck-Gesellschaft

Zitat: Neue Methode gleichzeitig misst Fluss und Sauerstoff (2022, 23. Mai), abgerufen am 23. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-method-simultaneously-oxygen.html

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