Next-generation insect digitization: combining phenomics and genomics by subsequent synchrotron X-ray imaging and DNA sequencing

Um das Leben eines Insekts zu verstehen, müssen Wissenschaftler oft zwei sehr unterschiedliche Dinge betrachten: die Form seines Körpers und den Code in seinen Zellen. Die Form, oder Morphologie, verrät Forschern, wie ein Tier sich bewegt, frisst und in seine Welt passt. Der Code, oder die Genetik, offenbart seine Familiengeschichte und wie es sich im Laufe der Zeit verändert hat. Lange Zeit erforderte das Studium dieser beiden Aspekte zwei getrennte Wege. Um das Innere eines winzigen Geschöpfs zu sehen, ohne es aufzuschneiden, nutzen Wissenschaftler leistungsstarke Röntgenstrahlen, die detaillierte dreidimensionale Bilder erzeugen. Um den genetischen Code zu lesen, müssen sie das Geschöpf öffnen, um dessen DNA zu extrahieren. Das Problem ist, dass diese beiden Methoden normalerweise gegeneinander arbeiten. Genau die Röntgenstrahlen, die benötigt werden, um den Körper zu sehen, können die DNA beschädigen, und der Prozess der DNA-Gewinnung zerstört oft die empfindlichen internen Strukturen, die die Röntgenstrahlen eigentlich bewahren sollten. Dies schafft eine Lücke in unserem Wissen, insbesondere bei kleinen Insekten, wo der Verlust eines Teils der Daten bedeutet, den Verlust der Chance, seine physische Form mit seiner genetischen Identität zu verknüpfen.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, diese Lücke zu schließen, indem es testete, ob man sowohl die detaillierten 3D-Bilder als auch den genetischen Code aus genau demselben Insekt erhalten könne. Sie konzentrierten sich auf drei weit verbreitete Insektenarten und behandelten diese als Modelle, um zu sehen, ob eine bestimmte Reihenfolge der Abläufe beide Arten von Informationen retten könnte. Die Wissenschaftler nahmen mehr als 1.000 Exemplare und setzten sie unter vielen verschiedenen Einstellungen hochenergetischen Röntgenstrahlen aus. Sie wollten sehen, ob die Strahlung die DNA in so kleine Stücke zerbrechen würde, dass sie später nicht mehr gelesen werden könnte. Nach dem Scannen der Insekten extrahierten sie sorgfältig das genetische Material und testeten dessen Qualität mit Standardmethoden, die spezifische genetische Marker und größere DNA-Abschnitte überprüfen. Sie untersuchten auch die 3D-Bilder, um sicherzustellen, dass die Scans klar genug waren, um feine Details zu zeigen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die beiden Methoden keine Feinde sein müssen, aber in einer bestimmten Sequenz angewendet werden müssen. Die Forscher fanden heraus, dass sie immer noch qualitativ hochwertige genetische Daten erhalten konnten, wenn sie die Insekten zuerst mit den leistungsstarken Röntgenstrahlen scannten und danach die DNA extrahierten. Der Schlüssel lag darin, die Einstellungen des Scans zu optimieren und schnell zum Schritt der Extraktion überzugehen. Wenn die Reihenfolge umgekehrt wäre oder wenn der Scan zu lang oder zu intensiv gewesen wäre, wäre die DNA zu stark beschädigt, um sie verwenden zu können. Diese Arbeit beweist, dass es möglich ist, eine vollständige digitale Aufzeichnung eines Insekts zu erstellen, die seine physische Gestalt und seine genetische Geschichte aus einem einzigen Individuum erfasst. Durch die Etablierung dieser praktischen Schritte bietet die Studie eine Möglichkeit, die biologische Vielfalt gründlicher zu digitalisieren, sodass Wissenschaftler die gesamte Geschichte eines Organismus studieren können, ohne sich zwischen dem Sehen seines Körpers oder dem Lesen seiner Gene entscheiden zu müssen.