Набор смоделированных сред in situ для культивирования анаэробных микроорганизмов, приобретенных в окружающей среде

Большинство микроорганизмов остаются некультивированными; Это подтверждается большим несоответствием между клетками, наблюдаемыми с помощью микроскопии, в отличие от нескольких микроорганизмов, успешно культивируемых с использованием агаровых пластин. Стейли и Конопка назвали это несоответствие «Аномалией большого количества плит»¹. Оценка неучтенного разнообразия подтверждается метагеномными и метатранскриптомными данными, показывающими множество новых родов, распределенных по ранговым кривым численности из нескольких различных сред². Микроорганизмы, которые были обнаружены (как правило, путем случайного секвенирования микробного сообщества), но не культивировались, были названы «микробной темной материей»^3,4.

В эпоху омиксов культивирование микроорганизмов остается обязательным условием для полной оценки геномных данных и проверки функции/фенотипа присутствующих генов. Секвенирование культивируемых микроорганизмов по-прежнему остается единственным способом уверенного получения полных геномов до тех пор, пока такие технологии, как метагеномика дробовика и метагеном, собранные из окружающей среды, не станут допустимо непогрешимыми^. Геномные оценки в сочетании с культивируемыми микроорганизмами дают убедительные выводы для понимания «микробной темной материи». Многие представители «микробной темной материи» выполняют важнейшие функции, влияющие на круговорот питательных и других элементов и производство ценных природных продуктов, поддерживают экологические системы и оказывают экологические услуги. С медицинской точки зрения, около половины всех продаваемых в настоящее время фармацевтических препаратов являются продуктами и производными продуктов из бактерий, и предполагается, что профилирование некультивируемых видов позволит выявить антибиотики будущего. Чтобы получить доступ к этому некультурному большинству, необходимо расширить разнообразие методологий культивирования^. Среди представителей «микробной темной материи» анаэробные олиготрофные микроорганизмы в значительной степени недоописаны и,^{вероятно, обладают} экологически и промышленно ценными биохимическими путями, что делает их важными мишенями для культивирования. Однако анаэробные олиготрофные микроорганизмы труднее культивировать, чем их аэробные и копиотрофные аналоги, из-за часто требуемого более длительного времени инкубации, привередливых условий (например, особых нестандартных температур in vitro ) и использования специализированных рецептур сред.

Современные методы культивирования членов «микробной темной материи», включая новые анаэробные олиготрофные микроорганизмы, значительно улучшили наше понимание и увеличили представленность этих микроорганизмов в филогенетическом древе. Существующие методы, использующие информированные среды для культивирования новых микроорганизмов (т.е. среды, полученные с использованием знаний об интересующем микроорганизме (микроорганизмах), можно разделить на три различных метода. Первый из методов заключается в прямом удалении дискретного участка среды для переноса в камеру для роста in vitro, которая уже содержит интересующие микроорганизмы внутри мембраны. Дискретная секция (например, морская вода) обеспечивает интересующие микроорганизмы геохимической средой обитания, которую они используют in situ, в то время как мембрана останавливает движение клеток поперек (интересующие клетки останутся внутри; посторонние клетки, прибывшие с дискретным участком, останутся снаружи). Путем включения соединений, естественным образом доступных для целевых микроорганизмов в их естественной среде обитания, такие микроорганизмы могут культивироваться⁸. Второй метод использует метатранскриптомику или геномику для выяснения метаболических возможностей, предоставляя ключи к узким параметрам культивирования для целевого дизайна среды. Этот подход обеспечивает эколого-физиологический профиль, который может быть использован для целенаправленного обогащения определенных типов микроорганизмов из окружающей среды. Средства среды предназначены для выявления присутствующих генов, которые, как предполагается, поддерживают целевой микроорганизм (микроорганизмы) для уменьшения разнообразия ^{обогащения,9,10}. Одно из предостережений заключается в том, что геномная информация не дает прямого вывода об экспрессии генов, в то время как транскриптомная информация делает это.

Третий метод включает в себя экологически информированные и смоделированные среды, в отличие от первого метода, который не моделирует среду, а использует окружающую среду непосредственно в качестве источника среды. Этот третий метод требует экологической разведки геохимии полевого участка, содержащего интересующие микроорганизмы. Обладая этими знаниями, основные компоненты и физические параметры определяются для создания экологически обоснованной моделируемой среды. Затем среда получает прямую инфузию осадка или жидкости, содержащей микроорганизмы, из окружающей среды в среду. Этот метод особенно ценен в тех случаях, когда микробиолог, занимающийся культивированием, не имеет доступа к достаточному количеству исходной среды (как это необходимо для первого метода) или к соответствующим метатранскриптомным или геномным данным (как это необходимо для второго метода).

Следующий протокол является примером третьего метода; Он основан на информации и направлен на моделирование интересующих сред. В протоколе параллельно представлены три наивных рецепта среды, нацеленных на различные анаэробные культуры микроорганизмов, полученные в полевых условиях. Представлены три культуры: смешанные культуры, происходящие из почвы (далее — смешанная почвенная культура), смешанные культуры, происходящие из скважины (далее — скважинная смешанная культура) и изолированный метаноген, происходящий из скважины (далее — скважинный изолированный метаноген). Составные тождества и количества в рецептах СМИ, представленных здесь, предназначены для начального руководства; Они могут и поощряются к адаптации к окружающей среде читателя и интересующим его микроорганизмам.