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

Om het leven van een insect te begrijpen, moeten wetenschappers vaak naar twee zeer verschillende zaken kijken: de vorm van zijn lichaam en de code in zijn cellen. De vorm, of morfologie, vertelt onderzoekers hoe een dier beweegt, eet en in zijn wereld past. De code, of genetica, onthult de familiegeschiedenis en hoe het in de loop der tijd is veranderd. Lange tijd vereiste het bestuderen van deze twee aspecten twee afzonderlijke paden. Om de binnenkant van een klein wezentje te zien zonder het open te snijden, gebruiken wetenschappers krachtige röntgenstralen die gedetailleerde driedimensionale beelden creëren. Om de genetische code te lezen, moeten ze het wezentje openbreken om het DNA te extraheren. Het probleem is dat deze twee methoden meestal met elkaar in strijd zijn. De röntgenstraling die nodig is om het lichaam te zien, kan het DNA beschadigen, en het proces van het verkrijgen van het DNA vernietigt vaak de delicate interne structuren die de röntgenstralen bedoeld waren te bewaren. Dit creëert een gat in onze kennis, vooral voor kleine insecten, waarbij het verliezen van één deel van de gegevens betekent dat de kans verloren gaat om de fysieke vorm met de genetische identiteit te verbinden.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe om dit gat te dichten door te testen of ze zowel de gedetailleerde 3D-beelden als de genetische code van exact hetzelfde insect konden verkrijgen. Ze richtten zich op drie veelvoorkomende insectensoorten en gebruikten deze als modellen om te zien of een specifieke volgorde van handelingen beide soorten informatie kon redden. De wetenschappers namen meer dan 1.000 exemplaren en stelden deze bloot aan hoogenergetische röntgenstralen onder vele verschillende instellingen. Ze wilden zien of de straling het DNA in stukjes zou breken die zo klein zijn dat het later niet meer gelezen kan worden. Na het scannen van de insecten extraheerden ze zorgvuldig het genetisch materiaal en testten ze de kwaliteit ervan met standaardmethoden die specifieke genetische markers en grotere stukken DNA controleren. Ze bekeken ook de 3D-beelden om er zeker van te zijn dat de scans duidelijk genoeg waren om fijne details te tonen.

De resultaten toonden aan dat de twee methoden geen vijanden hoeven te zijn, maar dat ze in een specifieke volgorde moeten worden gebruikt. De onderzoekers ontdekten dat als ze de insecten eerst met de krachtige röntgenstralen scanden en daarna het DNA extraheerden, ze nog steeds kwalitatief hoogwaardige genetische gegevens konden verkrijgen. De sleutel was het optimaliseren van de instellingen van de scan en het snel overgaan naar de extractiestap. Als de volgorde andersom was, of als de scan te lang of te intensief was, zou het DNA te beschadigd zijn om te gebruiken. Dit werk bewijst dat het mogelijk is om een volledig digitaal verslag van een insect op te stellen, waarbij zowel de fysieke vorm als de genetische geschiedenis van één enkel individu wordt vastgelegd. Door deze praktische stappen vast te stellen, biedt de studie een manier om biodiversiteit grondiger te digitaliseren, waardoor wetenschappers het volledige verhaal van een organisme kunnen bestuderen zonder te hoeven kiezen tussen het zien van het lichaam of het lezen van de genen.