Se demuestra un método para aislar a los miembros difíciles de crecer del nuevo filo bacteriano, Saccharibacteria, mediante el filtrado de la placa dental y el co-cultivo con bacterias huésped.
Muchas especies bacterianas no se pueden cultivar en el laboratorio utilizando métodos estándar, lo que representa una barrera significativa para el estudio de la mayoría de la diversidad microbiana en la tierra. Se requieren nuevos enfoques para cultivar estas bacterias incultas para que los investigadores puedan estudiar eficazmente su fisiología y estilo de vida utilizando las poderosas herramientas disponibles en el laboratorio. La radiación de profilaxis candidata (RCP) es uno de los grupos más grandes de bacterias no cultivadas, que comprende ~ 15% de la diversidad viva en la tierra. El primer aislado de este grupo fue un miembro del filo Saccharibacteria, ‘Nanosynbacter lyticus‘ cepa TM7x. TM7x es una bacteria inusualmente pequeña que vive como un simbionte en contacto directo con un huésped bacteriano, Schaalia odontolytica, cepa XH001. Aprovechando el tamaño de célula inusualmente pequeño y su forma de vida como organismo simbiótico, desarrollamos un protocolo para cultivar rápidamente Saccharibacteria de la placa dental. Este protocolo mostrará cómo filtrar una suspensión de placa dental a través de un filtro de 0,2 μm, luego concentrar las células de Saccharibacteria recolectadas e infectar un cultivo de organismos huéspedes. El cocultivo resultante puede ser aprobado como cualquier cultivo bacteriano normal y la infección se confirma por PCR. El cultivo binario resultante se puede mantener en el laboratorio y utilizar para futuros experimentos. Mientras que la contaminación es una posibilidad, la cultura binaria se puede purificar por la filtración y la reinfección adicionales del anfitrión, o por la galjanoplastia de la cultura binaria y la investigación para las colonias infectadas. Esperamos que este protocolo se pueda ampliar a otros tipos de muestras y ambientes, dando lugar al cultivo de muchas más especies en la RCP.
Cultivar nuevas especies de bacterias y llevarlas al laboratorio permite experimentos poderosos para comprender mejor su fisiología y las interacciones más amplias dentro de su comunidad microbiana. Si bien existen métodos libres de cultura para interrogar estas preguntas (por ejemplo, “meta-ómicas”), las complejas interacciones de diversas poblaciones microbianas hacen que sea difícil separar variables individuales y llegar a conclusiones significativas. Si bien el cultivo de bacterias tiene muchos beneficios, hay muchas barreras potenciales para aislar una bacteria y cultivarla en cultivo puro. Los posibles requisitos específicos de crecimiento incluyen pH, tensión de oxígeno, vitaminas, factores de crecimiento, moléculas de señalización o incluso contacto celular directo para provocar el crecimiento1. Sin embargo, se cree que las auxotrofias específicas son el principal elemento disuasorio para el cultivo de nuevas especies de bacterias. Las formulaciones de medios estándar carecen de muchos nutrientes requeridos por bacterias no cultivadas, como vitaminas específicas o fuentes de carbono. Estas moléculas faltantes pueden ser clave para la fisiología de las bacterias incultas y generalmente son proporcionadas por otro organismo en la comunidad microbiana o un organismo huésped. Por ejemplo, los carbohidratos complejos como las mucinas pueden ser proporcionados por huéspedes animales. La adición de estos a los medios de comunicación ha permitido el cultivo de varias bacterias de las tripas de los animales, incluyendo Akkermansia muciniphila y Mucinivorans hirudinis2,3,4. Muchas bacterias patógenas han desarrollado la capacidad de utilizar hierro unido a la hemina en células animales, incluyendo el patógeno oral Porphyromonas gingivalis5. En el laboratorio, el crecimiento de Porphyromonas y otros organismos, puede ser estimulado por la adición de hemin6.
Recientemente, muchos avances en el cultivo de nuevos aislados de bacterias han llegado a través del co-cultivo, utilizando un organismo “alimentador” para proporcionar factores específicos a las bacterias no cultivadas necesarias para su crecimiento. Un estudio elegante de Vartoukian y de sus colegas mostró que los siderophores, moléculas obligatorias del hierro producidas por las bacterias, estimularon el crecimiento de varios aislantes orales nuevos. Se demostró que las pirodinas, un tipo de sideróforo producido por especies pseudomonadas, facilitan significativamente el crecimiento de una nueva especie de Prevotella 7. En el mismo estudio, se cultivó el primer aislado oral para el filo Chloroflexi, utilizando también F. nucleatum como ayudante para proporcionar algún compuesto aún desconocido7. Más recientemente, una bacteria del género Ruminococcaceae fue aislada usando Bacteroides fragilis como organismo ayudante8. Fue mostrado más adelante que el ácido aminobutírico gamma (GABA), un neurotransmisor inhibitorio, fue requerido para el crecimiento en medios de laboratorio. El uso de organismos alimentadores ha demostrado ser una estrategia clave para imitar microambientes específicos donde crecen bacterias no cultas, siendo más eficiente que reformular continuamente los medios de crecimiento con diferentes aditivos en diferentes concentraciones.
Uno de los grupos más grandes de bacterias no curativas se encuentran en la “Radiación filo candidata” (RCP), un grupo monofilético de varios filos bacterianos candidatos9,10. En el momento de escribir este artículo, sólo los miembros del filo Saccharibacteria dentro de la RCP se han cultivado con éxito en el laboratorio. El primer aislado, la cepa TM7xde ‘Nanosynbacter lyticus’, se aisló utilizando el antibiótico estreptomicina, que se había predicho que enriquecería para el inculto TM711,12. Un descubrimiento clave de este trabajo fue que el nuevo aislado creció como un parásito que crecía en contacto directo con un huésped bacteriano, Schaalia odontolytica,y la microscopía mostró que estos parásitos eran bacterias ultras pequeñas.
Usando estas pistas, ideamos un método para establecer rápidamente cocultivos binarios de Saccharibacteria con sus socios filtrando la placa dental y otras muestras orales a través de un filtro de 0,2 μm, recogiendo células en el filtrado por centrifugación y usándolas para infectar cultivos de bacterias candidatas del huésped. Este método tiene la ventaja de evitar los cultivos de enriquecimiento, que pueden ser abrumados con organismos de rápido crecimiento. También evita el uso de antibióticos, que podrían detener el crecimiento de las especies de Saccharibacterias objetivo o de sus huéspedes. Usando el método demostrado aquí, hemos cultivado con éxito 32 aislantes del filo de Saccharibacteria.
Nuestro método de filtrar la placa y aplicarla a cultivos puros de organismos huéspedes se basa en gran medida en observaciones anteriores sobre las primeras Saccharibacteria cultivadas, la cepa TM7x11,14,15de Nanosynbacter lyticus. Dado el pequeño tamaño de la célula, deducimos que podrían ser separados de la placa dental usando un filtro y concentrados con la centrifugación. En segundo lugar, como estos organismos viven como parásitos, proporcionar a estas células cultivos puros de huéspedes les permitiría entrar en una simbiosis y crecer como cultivos binarios.
Una ventaja de este método es que no requiere un cultivo de enriquecimiento o presión selectiva. La cepa TM7xde ‘Nanosynbacter lyticus’ se cultuó a partir de un cultivo de enriquecimiento utilizando estreptomicina como agente selectivo, cuya secuenciación había sugerido que sería eficaz para enriquecer para Saccharibacteria. Fortuitamente, el huésped de‘Nanosynbacter lyticus’ Schaalia odontolytica, se sabe que es resistente a la estreptomicina16. El uso de antibióticos como agente selectivo también podría evitar que el organismo huésped crezca, lo que a su vez impediría el crecimiento de Saccharibacteria.
Un problema más grande del uso de cultivos de enriquecimiento es que los organismos de rápido crecimiento desplazarán rápidamente a los organismos de interés. En la cavidad oral, por ejemplo, las especies de Streptococcus pueden crecer rápidamente y, si el azúcar está presente en el medio de crecimiento, producir suficiente ácido para acidificar el medio, seleccionando aún más contra los organismos de interés. Al evitar un cultivo de enriquecimiento y antibióticos selectivos, nuestro método proporciona un enfoque general que podría aplicarse a una gama más amplia de saccharibacterias y huéspedes potenciales sin las complicaciones de estos otros métodos.
Hay algunos obstáculos para el método presentado aquí. En primer lugar, este método asume que saccharibacterias viven en un cultivo binario. No hemos probado combinaciones de cultivos triarios o ternarios para medir su eficacia, pero es probable que haya Sacaribacterias que requieran factores de crecimiento que un solo organismo huésped no puede suministrar. Probar las vastas combinaciones de bacterias orales que podrían apoyar el crecimiento de saccharibacterias sería una tarea desalentadora. En segundo lugar, el método asume que todas las Saccharibacteria son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de un filtro de 0,2 μm. Podría ser que otras Saccharibacteria son más grandes de lo que se cree y el filtro está seleccionando contra estos organismos. Se podría utilizar un filtro con un tamaño de poro más grande, pero esto corre el riesgo de permitir que más bacterias orales no deseadas entren en el co-cultivo infectado. Por último, es muy difícil encontrar especies huésped fuera de las que ya se han publicado. Hasta el momento, los únicos huéspedes exitosos son especies de los géneros Actinomyces, Schaalia, Arachnia y Cellulosimicrobium,todos miembros del filo Actinobacteria15,17,18. Sin embargo, estos huéspedes sólo apoyan el crecimiento de saccharibacterias específicas. Para cultivar más especies de Saccharibacteria, se deben explorar muchos más huéspedes.
Esperamos que el método presentado aquí ayudará a la investigación futura de las sacaribacterias y otros organismos de RCP. La secuenciación metagenómica sugiere que estos organismos también tienen genomas pequeños y se sospecha que son simbiontes o dependen de la comunidad microbiana local para suministrar metabolitos y otros factores críticos para su supervivencia19. Se podría utilizar una estrategia de filtrado similar para aislar estos organismos, siempre que sean lo suficientemente pequeños y que sus organismos huéspedes puedan ser cultivados. Los métodos descritos aquí son un primer paso para llevar las poderosas herramientas del cultivo de laboratorio a este grupo grande y diverso de bacterias.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a Anne Tanner, Bruce Paster, Heike Boisvert, Xuesong He y Batbileg Bor por sus útiles discusiones y por proporcionar cepas bacterianas. Agradecemos a Susan Yost y Jessica Woods por la asistencia técnica microbiana. La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial de los Institutos Nacionales de Salud bajo los números de premio R37 DE016937 (FED), R01 DE024468 (FED) y T32 DE007327 (AJC). El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
Agarose | Fisher Scientific | BP160-100 | |
Alphaimager | Cell Biosciences | FluorChem HD2 | Or equivalent UV gel imaging system |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213-101 | |
Brain Heart Infusion Broth (dehydrated powder) | Becton-Dickinson | 211059 | Or other growth media suitable for target organisms |
Centrifuge Rotor 70-Ti | Beckman Coulter | 337922 | |
Cryovials | Fisher Scientific | 12-567-500 | |
DMSO | Fisher Scientific | BP231-100 | |
Electrophoresis Power Supply | Bio-Rad | 1645052 | |
Electrophoresis Rig | Bio-Rad | 1704467 | |
Filter Forceps | Millipore Sigma | XX6200006P | Not essential, helps ensure filters are not punctured during handling |
Glycerol | Fisher Scientific | G33-500 | |
GoTaq Green Mastermix | Promega | M7122 | |
Mastercycler Pro Thermocycler | Eppendorf | 950040025 | Or equivalent thermocycler for PCR |
MgCl2 solution 25mM | Promega | A3513 | |
Molecular Biology grade water | Fisher Scientific | BP2819100 | |
O2 Control InVitro Glove Box | Coy Laoratories | 031615 | If needed for microaerobic organisms |
Optima L-100 XP High Speed Centrifuge | Beckman Coulter | 8043-30-1124 | |
P-10 micro pipette | Gilson | F144802 | |
P-1000 micro pipette | Gilson | F123601G | |
P-2 micro pipette | Gilson | F144801 | |
P-20 micro pipette | Gilson | F123600 | |
P-200 micro pipette | Gilson | F123602G | |
PBS | Fisher Scientific | BP399500 | |
PCR tubes 0.2 mL | Fisher Scientific | 14-230-205 | |
Peptone | Fisher Scientific | BP1420-500 | |
Pipette tips – 10 μL | Fisher Scientific | 02-717-157 | |
Pipette tips – 1000 μL | Fisher Scientific | 02-717-166 | |
Pipette tips – 20 μL | Fisher Scientific | 02-717-161 | |
Pipette tips – 200 μL | Fisher Scientific | 02-717-165 | |
Polycarbonate filters – 47mm, 0.2 μm pore size | Millipore | GTTP04700 | |
Screw-cap conical centrifuge tubes 15 mL | Falcon | 352096 | Or other tube suitable for bacterial culture |
Sodium chloride | Fisher Scientific | BP358-1 | |
Swin-Lok Filter – 47mm | Whatman | 4200400 | |
SYBR Safe DNA Gel stain | ThermoFisher Scientific | S33102 | |
Syringes – 20 mL | Fisher Scientific | 14-955-460 | |
TAE Buffer (50x) concentrate | Fisher Scientific | P1332500 | |
Thickwall Polycarbonate 25 x 89 mm (26.3mL capacity) centrifuge tubes with caps | Beckman Coulter | 355618 | |
Tryptic Soy Blood Agar Plates | Northeast Laboratory Services | P1100 | Or other agar plate sufficient for growth of host organisms |
Tryptic Soy Broth (dehydrated powder) | Becton-Dickinson | 211825 | Or other growth media suitable for target organisms |
Vinyl Anaerobic Chamber | Coy Laboratories | 032714 | If needed for anaerobic organisms |
Vortex mixer | Scientific Industries | SI-0236 | |
Yeast Extract | Fisher Scientific | BP1422-500 |