JoVE Science Education
Microbiology
Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
JoVE Science Education Microbiology
Pure Cultures and Streak Plating: Isolation of Single Bacterial Colonies from a Mixed Sample
  • 00:01Concepts
  • 03:27Preparation of Media and Plates
  • 06:09Streak Plating
  • 08:28Results and Data Analysis

תרביות טהורות ו ציפוי פסים: בידוד מושבות חיידקיות בודדות מדגם מעורב

English

Diviser

Vue d'ensemble

מקור: עדדה אנדרסון1, רולף לוד1
1 המחלקה למדעים קליניים לונד, החטיבה לרפואת זיהומים, המרכז הביו-רפואי, אוניברסיטת לונד, 221 00 לונד, שוודיה

לכאורה בלתי אפשרי לקבוע, המגוון הביולוגי המיקרוביאלי הוא באמת מדהים עם כטריליון מינים דו-קיום (1,2). למרות אקלים קשה במיוחד, כמו הסביבה החומצית של הבטן האנושית (3) או האגמים התת-קרקעיים של אנטארקטיקה (4), עשויים להיות נשלטים על ידי מין מסוים, חיידקים נמצאים בדרך כלל בתרבויות מעורבות. מכיוון שכל זן עשוי להשפיע על צמיחתו של אחר (5), היכולת להפריד ולטפח מושבות “טהורות” (המורכבות מסוג אחד בלבד) הפכה חיונית במסגרות קליניות ואקדמיות כאחד. תרביות טהורות מאפשרות בדיקות גנטיות ופרוטומיות נוספות (7), ניתוח של טוהר המדגם, ואולי ראוי לציון יותר, זיהוי ואפיון של חומרים זיהומיים מדגימות קליניות.

לחיידקים יש מגוון רחב של דרישות גדילה ויש סוגים רבים של מדיה תזונתית שנועדו לקיים הן את המינים הלא תובעניים והן את המינים הערמומיים (8). מדיה צמיחה יכול להיות מוכן או בצורה נוזלית (כמו מרק) או בדרך כלל מבוסס אגר (סוכן gelling נגזר אצות אדומות) צורה מוצקה. בעוד חיסון ישיר למרק נושא את הסיכון ליצירת אוכלוסייה חיידקית מגוונת גנטית או אפילו מעורבת, ציפוי ופסים מחדש יוצרים תרבות טהורה יותר שבה לכל תא יש מבנה גנטי דומה מאוד. טכניקת לוח הפסים מבוססת על דילול מתקדם של מדגם (איור 1),במטרה להפריד תאים בודדים זה מזה. כל תא בר קיימא (המכונה להלן יחידה ליצירת מושבה, CFU) המתקיים על ידי התקשורת והסביבה המיועדת לכך יכול למצוא לאחר מכן מושבה מבודדת של תאי בת באמצעות ביקוע בינארי. למרות שיעורי המוטציה המהירים בתוך קהילות חיידקים, קבוצת תאים זו נחשבת בדרך כלל כלנית. קצירה ופס מחדש של אוכלוסייה זו כתוצאה מכך מבטיחה כי העבודה הבאה כרוכה רק סוג חיידקי אחד.

Figure 1
איור 1: לוח פסים מבוסס על דילול הדרגתי של המדגם המקורי. I) האינוקולום מפוזר בתחילה באמצעות תנועת זיג-זג, ויוצר אזור עם אוכלוסיית חיידקים צפופה יחסית. II-IV) פסים נמשכים מהאזור הקודם, באמצעות לולאת חיסון סטרילית בכל פעם, עד שמגיעים לרביע הרביעי. V) תנועת זיג-זג סופית המופנית לכיוון אמצע הצלחת יוצרת אזור שבו ההסתה מדוללת במידה ניכרת, ומאפשרת למושבות להופיע נפרדות זו מזו.

ניתן לשלב את טכניקת לוח הפסים גם עם השימוש במדיה סלקטיבית ו/או דיפרנציאלית. מדיום סלקטיבי יעכב את צמיחתם של אורגניזמים מסוימים(למשל באמצעות תוספת של אנטיביוטיקה) בעוד מדיום דיפרנציאלי יסייע אך ורק להבחין זה מזה(למשל באמצעות המוליזה על לוחות אגר הדם).

בבסיס כל העבודה במיקרוביולוגיה עומד השימוש בטכניקות אספטיות (סטריליות). כל תרבות חיידקית צריכה להיחשב פוטנציאל פתוגניים שכן קיים סיכון של צמיחה לא מכוונת של זנים בוגדניים, היווצרות תרסיס וזיהום של ציוד / כוח אדם. כדי למזער סיכונים אלה, כל כלי התקשורת, הפלסטיק, המתכת והזכוכית מעוקרים בדרך כלל באמצעות הפעלה אוטומטית לפני ואחרי השימוש, מה שמכפיף אותם לאדים רוויים בלחץ גבוה בסביבות 121 מעלות צלזיוס שמחסל ביעילות את כל התאים המתמשכים. חלל העבודה מחוטא בדרך כלל באמצעות אתנול הן לפני, והן לאחר מכן, להשתמש. חלוק מעבדה וכפפות תמיד שחוקים במהלך העבודה עם חומרים זיהומיים.

Procédure

1. ערוך יש להתייחס לכל החיידקים כאילו הם מסוכנים. תמיד ללבוש חלוק מעבדה וכפפות, לקשור את השיער הארוך, ולהבטיח כי כל פצעים מוגנים היטב במיוחד. הכן את חלל העבודה על ידי עיקורו באמצעות 70% אתנול. ודא כי לוחות אגר, פתרונות מדגם וקופסה של לולאות חיסון פלסטיק מעוקרות מראש או…

Résultats

The initial streak-plate may contain colonies originating from cells with different genetic makeup or (depending on sample purity) from different bacterial species (Figure 2A).

Through subsequent isolation of a single colony, where all units are derived from a common mother-cell, the second streaking procedure generates a relatively clonal bacterial population, suitable for further characterization or inoculation into broth (Figure 2B).

Figure 2
Figure 2: A pure culture can be generated from a mixed sample through isolation of a single, secluded colony. A) Growth of a single bacterial cell (CFU) generated a clonal colony, separated from those of other species and strains. This CFU was used for subsequent streaking onto a new plate B) A second plate, where the bacterial population consists solely of cells derived from the initial CFU.

Applications and Summary

The ability to obtain and cultivate a pure bacterial colony is essential, both in clinical and academic settings. Streak plating enables the isolation of a relatively clonal cell population, originating from a shared CFU, that may be of particular interest during diagnosis or for additional characterization of the isolate. A sample is streaked onto a suitable agar-based nutrient medium and incubated until colonies become visible. An isolated colony is subsequently harvested and re-streaked onto a second plate.

References

  1. The Human Microbiome Project C. Structure, Function and Diversity of the Healthy Human Microbiome. Nature. 486:207-214. (2012)
  2. Locey KJ, Lennon JT. Scaling laws predict global microbial diversity. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (21) 5970-5975 (2016)
  3. Skouloubris S, Thiberge JM, Labigne A, De Reuse H. The Helicobacter pylori UreI protein is not involved in urease activity but is essential for bacterial survival in vivo. Infection and Immunity. 66:4517-21. (1998)
  4. Mikucki JA, Auken E, Tulaczyk S, Virginia RA, Schamper C, Sørensen KI, Doran PT, Dugan H, Foley N. Deep groundwater and potential subsurface habitats beneath an Antarctic dry valley. Nature Communications. 6:6831. (2015)
  5. Mullineaux-Sanders C, Suez J, Elinav E, Frankel G. Sieving through gut models of colonization resistance. Nature Microbiology. 3:132-140. (2018)
  6. Fournier PE, Drancourt M, Raoult D. Bacterial genome sequencing and its use in infectious diseases. Lancet Infectious Diseases. 7:711-23 (2007)
  7. Yao Z, Li W, Lin Y, Wu Q, Yu F, Lin W, Lin X. Proteomic Analysis Reveals That Metabolic Flows Affect the Susceptibility of Aeromonas hydrophila to Antibiotics. Scientific Reports. 6:39413 (2016)
  8. Medina D, Walke JB, Gajewski Z, Becker MH, Swartwout MC, Belden LK. Culture Media and Individual Hosts Affect the Recovery of Culturable Bacterial Diversity from Amphibian Skin. Frontiers in Microbiology. 8:1574 (2017)

Transcription

On a Petri dish, if a single bacterium undergoes multiple rounds of asexual reproduction, it will lead to the formation of a clonal colony. However, obtaining a single bacterium from a mixed sample, such as a soil suspension, can be difficult. If one loopful of this heterogeneous culture is taken, it can contain as many as one trillion individual bacteria. To spread this many bacteria out onto the surface of an agar plate and obtain a single colony, even using a zig-zag pattern, the loop would need to be dragged continuously over the surface of enough plates set side-by-side to encircle the entirety of Liberty Island. Obviously, scientists do not really use that many plates. Instead, they use a technique called streak plating.

The streak plate technique is based on progressive dilution of a bacterial sample, and it is performed over the solid media surface of a single Petri dish. To begin, the media surface is visually divided into five sections by assigning four fragments of the circumference as the first four sections, and the plate’s center as the fifth. This will effectively create five media plates out of a single Petri dish. Next, using a loopful of desired inoculum, the first section is streaked using a zig-zag pattern. Then, either a new disposable loop is used, or in the case of a wire loop, it is sterilized with a Bunsen burner, flaming it until it is red hot along the length of the wire. This use of a new loop, or flame sterilize loop, removes any remaining bacterial cells, assisting in the dilution of the bacteria. The hot loop is then cooled in the air for a few seconds before being dragged through the first section to create three to four separate lines, each carrying only a fraction of bacteria into the second section. The remaining sections are streaked in the same manner, using a sterile loop each time, and a single pass through the previous streak.

Using this cycle of streaking and sterilizing, the bacterial concentration in every subsequent section should be diluted so that the final section contains only a few discretely located bacteria. Upon incubation, these discrete bacteria multiply to produce isolated clonal colonies of daughter cells, which are referred to as Colony Forming Units, or CFUs. These can be harvested and re-streaked to ensure that subsequent work involves only a single bacterial type, referred to as a pure culture. As well as isolating single colonies from a mixed-bacterial culture, the streak plating technique is also used to select media-specific strains, determine bacterial colony morphology, or identify different bacterial species. In this video, we will demonstrate how to isolate single-bacterial colonies from a mixed-bacterial sample suspension via streak plating technique.

To begin, put on laboratory gloves and a lab coat. Next, sterilize the workspace using 70% ethanol. Next, select a suitable medium that will sustain the utilized bacterial species or strain and begin preparing the media. Here, common LB agar is prepared by weighing out ten grams of pre-formulated, powdered media and 7.5 grams of agar. Add the weighed, dried components to a glass bottle which is able to hold twice the final volume to avoid overflow. Then, add 500 milliliters of water to the bottle, and cap it semi-tightly. Sterilize the media by placing the bottle in an autoclave set to 121 degrees Celsius for twenty minutes. After completion, use heat-proof gloves or a hot pad to remove the media from the machine and then immediately twist the bottle cap to close it tightly.

For the same-day use, let the media cool down by placing the bottle into a water bath heated to approximately 45 degrees Celsius, to preserve the media in a liquid state. Alternatively, the media can be left at room temperature to store at solid state. When needed, microwave the bottle with the lid slightly open to melt the media, and allow the media to cool using a 45 degree Celsius water bath.

Next, take a sleeve of sterile Petri dishes, and with a permanent marker, label them with the investigator and media names as well as the date. Then, transfer the required volume of media into a sterile vessel, and add antibiotics or other sensitive components if necessary. Here, 50 milliliters of media is mixed with 100 microliters of Kanamycin for a final concentration of 25 micrograms per milliliter. Swirl the tube to ensure even distribution of the added components throughout the media. Slowly, so as to avoid bubble formation, pour 20 to 25 milliliters of approximately 45 degree Celsius culture medium into each of the plates. If bubbles or foam appear, swiftly remove using a regular pipette and a sterile tip. Then, immediately replace all lids to prevent contamination. Allow the agar to solidify at room temperature for at least two hours or overnight. Once solidified, store the culture plates upside down at four degrees Celsius to minimize condensation on the medium’s surface.

To streak the culture of choice, first take a clean culture plate and remove the lid. Working quickly, submerge a disposable, sterile loop into the desired inoculum and then immediately swab the loop over the first quadrant of the plate using a zig-zag motion. Replace the lid of the dish, discard the used inoculation loop, and then select a new sterile loop. Using the new loop, make three to four strokes crossing the original swab line radiating from the first quadrant, which should contain a relatively dense bacteria population into the second quadrant. Close the lid once more, and discard the loop. With a new loop, repeat this action again, but this time streaking from the second into the third quadrant. Then, with a new loop again, make another streak from the third into the fourth section of the plate. Finally, with a fresh loop, make one last stroke in a zig-zag pattern from the fourth quadrant towards the center of the plate. The bacterial prevalence will be lower in this area, ideally allowing individual colonies to be established from a single viable mother cell.

Replace the plate lid, and if appropriate for the bacterial species, seal the plate with para film to prevent airflow. Turn the culture plate upside down to prevent condensation drips, and then place at a suitable temperature for growth. Here, an incubator is set to 37 degrees Celsius. Allow the plate to incubate until bacterial colonies are visible. To generate a clonal bacterial population, select one discrete colony from this plate. Now, with the sterile loop, touch the target colony, and as before, make a streak in the first quadrant of a new plate. Continue to alternately sterilize the loop and streak the remaining quadrants of the plate as previously demonstrated, ending with the zig-zag to the center. Close the plate, and place it to incubate until discrete colonies form. Once these colonies are grown, they will typically represent pure clonal strains.

The initial streak plate may contain colonies originating from cells from different bacterial species or cells with different genetic makeup, depending upon the sample purity. Through subsequent isolation of a single colony, where all units are derived from a common mother cell, the second streaking procedure generates a relatively clonal bacterial population, suitable for further characterization or inoculation into broth.

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Pure Cultures and Streak Plating: Isolation of Single Bacterial Colonies from a Mixed Sample. JoVE, Cambridge, MA, (2023).