Paläontologie trifft Mikrosystemtechnik: Eine neue Methode zur Gewinnung hochreiner Pollenkonzentrate aus Sedimentarchiven
Titelbild der Sciences Advances Ausgabe 16 (Band 7), das die Gewinnung hochreiner fossiler Pollenkonzentrate aus Seesediment mittels des neu entwickelten, auf Fluoreszenzmessung basierenden Partikelsortierers symbolisiert.
Image Credit: Science Advances
News from Apr 16, 2021
Paläontologie trifft Mikrosystemtechnik: Eine neue Methode zur Gewinnung hochreiner Pollenkonzentrate aus Sedimentarchiven
Einem internationalen Forscherteam unter Beteiligung von Dr. Christian Leipe und Prof. Dr. Pavel Tarasov, finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), ist es erstmals gelungen, einen Chip-basierten Partikelsortierer zu entwickeln, der fossile Pollen aus Sedimenten effizient und gezielt extrahieren kann. Die gewonnenen hochreinen Pollenkonzentrate eignen sich für die Radiokarbondatierung und Erstellung absoluter Chronologien für Klima- und Umweltdatenreihen aus Sedimentabfolgen mit einem Alter von bis zu 50,000 Jahren. Mit den herkömmlichen Methoden konnte diese Reinheit nicht erreicht werden.
Der Partikelsortierer arbeitet nach dem Prinzip der fluoreszenzbasierten Durchflusszytometrie, eine Methode die ursprünglich in den späten 1960er Jahren an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster entwickelt wurde und heute als Standardverfahren insbesondere im Bereich der medizinischen Forschung eingesetzt wird. Allerdings sind herkömmliche Hochleistungssortierer nur für Partikelgrößen von normalerweise bis zu 70 µm oder maximal 100 µm ausgelegt und somit nicht geeignet zur effizienten Sortierung des Spektrums der häufigsten Pollentypen (ca. 10–150 µm). Das neue Gerät ist erstmals in der Lage, Partikel mit einer Größe von bis zu 200 µm mit hoher Durchsatzrate (ca. 5000–10.000 Hertz) zu sortieren. In Tests an verschiedenen Seesedimentproben wurden fossile Pollen bis zu einer Größe von 170 µm (Tannenpollen) sortiert, wobei eine partikelgrößenbezogene Pollenreinheit von 85% erreicht wurde. In einem zweiten Schritt wurden sortierte (aufgereinigte) Pollenkonzentrate aus spätglazialen Sedimenten aus Seen in Japan und Österreich mit der AMS Radiokarbonmethode datiert. Ein Vergleich zeigte, dass die kalibrierten Altersspannen der Pollendatierungen mit denen der jeweiligen Referenzdatierungen statistisch vergleichbar sind und somit einen Ansatz bieten, die Reservoireffekt-Probleme in den untersuchten Seen zu überwinden.
Die Studienergebnisse zeigen, dass der neue Partikelsortierer in der Lage ist, zeiteffizient die häufigsten Pollentypen aus Sedimenten zu extrahieren und hochreine Pollenkonzentrate zu erzeugen, die präzise Radiokarbondatierungen liefern und somit eine wertvolle Methode zur Überwindung von Datierungsproblemen (z.B. Reservoireffekt, Kontamination während der Probenahme, Abwesenheit von terrestrischen organischen Makroresten) darstellt, die in vielen Sedimentarchiven vorkommen. Die Methode eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für die Verwendung von Pollen und anderer Mikrofossilien in den Bereichen Geochronologie, Paläoökologie und Paläoklimatologie, sondern kann auch den bestehenden Bedarf zur effizienten Anreicherung relativ großer Partikel in den Wissenschaftszweigen Genomik, Metabolomik, der Regenerativen Medizin und Biorohstofftechnik decken. Die Bauweise des neuen Gerätes ist so angelegt, dass es um zusätzliche Sortiermethoden (z.B. Hochgeschwindigkeits-Raman-Spektroskopie, Hochgeschwindigkeits-Imaging) erweitert werden kann, die es ermöglichen, ausschließlich bestimmte Pollentaxa anzureichern, welche zur Analyse stabilen Isotopen oder alter DNA verwendet werden können.
Der Open-Access-Artikel wurde am 14. April 2021 im Fachblatt Science Advances der American Association for the Advancement of Science (AAAS) publiziert und ist unter folgendem Link zu erreichen.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abe7327
Palaeontology meets Micro Engineering: a new method for purifying fossil pollen from sediment archives
An international research team with the participation of Dr. Christian Leipe and Prof. Dr. Pavel Tarasov and financial support from the German Research Foundation (DFG) has developed an on-chip particle sorter that is capable to efficiently purify fossil pollen from sediments. The obtained high-purity pollen concentrates are valuable material for radiocarbon dating and make an important contribution for building absolute chronologies for palaeoenvironmental archives and palaeoclimate records from sediment sequences dating back up to 50,000 years ago, an important requirement, which is often problematic when using conventional methods.
The particle sorter works on the principle of flow cytometry (fluorescence-activated particle sorting), a method that was developed in the late 1960s at the University of Münster and is now used as a standard application, particularly in the field of medical research. However, conventional high-performance sorters are designed for particle sizes of normally up to 70 µm or a maximum of 100 µm and are therefore not suitable for efficient sorting of the spectrum of the most common pollen types (ca. 10–150 µm). For the first time, the new device is capable to sort particles with a size of up to 200 µm at a high throughput rate (ca. 5000–10,000 Hertz). In tests on different lake sediment samples, fossil pollen up to a size of 170 µm (fir pollen) were sorted and a particle size-related pollen purity of 85% was achieved. In a second step, sorted (purified) pollen concentrates from Late Glacial sediments from lakes in Japan and Austria were dated using the AMS radiocarbon method. A comparison showed that the calibrated age ranges of the pollen dates are statistically comparable with those of the respective reference dates highlighting the method’s ability to overcome problems related to water reservoir effects that exist in these lakes.
The study results demonstrate that the new particle sorter is capable to extract the most common pollen types from sediments in a time-efficient manner and to provide high-purity pollen concentrates that provide accurate radiocarbon dates. Thus, the device offers an approach to overcome dating problems (e.g., carbon reservoir effects, contamination of small-size terrestrial organic macroremains with younger carbon during sampling, and absence of terrestrial organic macroremains) that occur in many sediment archives. The method not only opens up new opportunities for the use of pollen and other microfossils in geochronology, palaeoecology, and paleoclimatology but also covers urgent needs for high-throughput large-particle sorting in genomics, metabolomics, regenerative medicine, and bioresource engineering. The design of the new device allows to add supplementary sorting methods (e.g., high-speed Raman spectroscopy, high-speed fluorescence imaging), which support concentration of specific pollen types that can be used for exploring new palaeoecology applications, such as stable isotopes or ancient DNA analyses.
The open-access article was published on April 14, 2021 in the journal Science Advances of the American Association for the Advancement of Science (AAAS) and can be reached under the following link.