環境的に獲得した嫌気性微生物を培養するための In Situ 情報に基づく模擬培地フォーマットのセット

ほとんどの微生物は培養されていないままです。これは、顕微鏡で観察された細胞間の大きな格差と、寒天プレートを使用して培養に成功した少数の微生物と対照的なことによって裏付けられています。ステイリーとコノプカは、この格差を「グレート・プレート・カウント・アノマリー」¹と名付けました。推定された未解明の多様性は、いくつかの^{異なる環境からの}ランク存在量曲線に分布する多くの新しい属を示すメタゲノムおよびメタトランスクリプトームデータによって裏付けられています2。観察された(一般的には微生物群集のランダムショットガンシーケンシングによって)が培養されていない微生物は、「微生物暗黒^{物質」と呼ばれ}ています^3,4。

オミクスの時代において、微生物の培養は、ゲノムデータを十分に評価し、存在する遺伝子の機能/表現型を検証することが不可欠であり続けています。培養微生物のシーケンシングは、ショットガンメタゲノミクスや環境からのメタゲノムアセンブルゲノムなどの技術が許容できるほど間違いのないものになるまで、完全なゲノムを自信を持って取得する唯一の方法です⁵。培養微生物と組み合わせたゲノム評価は、「微生物暗黒物質」を理解するための強力な推論を提供します。「微生物暗黒物質」の多くのメンバーは、栄養素やその他の元素の循環や貴重な天然物の生産に影響を与え、生態系をサポートし、生態学的サービスを実行する重要な機能を果たしています。医学的には、現在市出されている医薬品の約半数は細菌由来の製品やその誘導体であり、未培養種のプロファイリングは将来の抗生物質を明らかにするのではないかと疑われています。この未熟な多数派に近づくためには、さまざまな培養方法を増やす必要があります⁶。「微生物暗黒物質」のメンバーの中で、嫌気性貧栄養微生物は大部分が過小報告されており、生態学的にも工業的にも貴重な生化学的経路を保持している可能性が高く⁷、培養の重要な標的となっています。しかし、嫌気性貧栄養微生物は、より長いインキュベーション時間、厳格な条件(例えば、特定の非標準in vitro 温度)、および特殊な培地レシピの使用により、好気性およびコピオトロフィック微生物よりも培養が困難です。

新しい嫌気性貧栄養微生物を含む「微生物暗黒物質」のメンバーを培養するための現在の開発技術は、私たちの理解を大幅に改善し、系統樹内のこれらの微生物の表現を増やしました。新規微生物を培養するための情報培地(すなわち、目的の微生物の知識を用いて得られた培地)を使用する現在の技術は、3つの異なる方法に分けることができます。最初の方法は、膜内に目的の微生物をすでに含んでいるin vitro増殖チャンバーに移すために、環境の個別のセクションを直接除去することを伴います。離散的なセクション(海水など)は、目的の微生物にその場で使用する地球化学的生息地を提供するように機能し、膜は細胞の移動を阻止します(目的の細胞は内部に残り、離散セクションとともに到着した外部の細胞は外に残ります)。標的微生物を自然の生息地に自然に利用できる化合物を含めることによって、そのような微生物を培養することができる⁸。2つ目の方法は、メタトランスクリプトミクスまたはゲノミクスを利用して代謝能力を解明し、標的培地設計のための狭い培養パラメータの手がかりを提供します。このアプローチは、環境外に特定の種類の微生物を濃縮するために使用できる生態生理学的プロファイルを提供します。培地の規定は、エンリッチメントの多様性を低下させるために標的微生物をサポートすると推定される、存在する同定された遺伝子に対応しています^9,10。注意点として、ゲノム情報は遺伝子の発現を直接推測するものではありませんが、トランスクリプトーム情報は推測します。

第3の方法は、メディアをシミュレートせず、むしろ環境をメディアのソースとして直接使用する第1の方法とは異なり、環境情報とシミュレートされたメディアを包含します。この第3の方法は、対象微生物を含むフィールドサイトの地球化学の環境偵察を必要とします。この知識により、主要なコンポーネントと物理的パラメータが特定され、環境情報に基づいたシミュレートされた媒体が生成されます。次に、培地は、微生物含有堆積物または液体を環境から培地に直接注入します。この方法は、培養微生物学者が十分な量のソース環境(最初の方法に必要な)や適切なメタトランスクリプトームまたはゲノムデータ(2番目の方法に必要な)にアクセスできない場合に特に価値があります。

次のプロトコルは、3 番目の方法の例です。これは、関心のある環境から通知され、シミュレートすることを目的としています。現場で得られた異なる嫌気性微生物培養を標的とする3つのナイーブ培地レシピが、プロトコル内で並行して提示されています。表される3つの培養は、土壌由来の混合培養(以下、土壌混合培養)、ボアホール内を起源とする混合培養(以下、ボアホール混合培養)、ボアホール内を起源とする単離メタン生成物質(以下、ボアホール単離メタン生成物質)である。ここで紹介するメディアレシピの化合物の同一性と量は、入門ガイドとして意図されています。それらは、読者の環境や関心のある微生物に合わせてカスタマイズすることができ、奨励されています。