Лабораторная культура: Как ученые выращивают и изучают бактерии?
Бактерии - это микроорганизмы, которые окружают нас повсюду: на наших телах, в пище и в окружающей среде. Некоторые бактерии полезны, но другие могут вызывать болезни. Чтобы узнать, как бактерии защищают или вредят нам, исследователи обычно выращивают бактерии в своих лабораториях, чтобы у них было много бактерий для изучения. В этой статье вы узнаете о том, как мы "выращиваем" бактерии в лаборатории и как различные методы культивирования могут повлиять на поведение бактерий. Мы расскажем о новой системе культивирования, которую разработала наша исследовательская лаборатория для изучения взаимодействия между различными видами бактерий. Наконец, вы узнаете о хитроумных способах, с помощью которых ученые выделяют различные виды бактерий, используя метод, называемый селективным посевом. Изучение этих методов - важный первый шаг для исследователей, которые изучают, как взращивать полезные для нас бактерии и бороться с бактериями, вызывающими болезни!
Бактерии повсюду
Бактерии - это микроорганизмы, которые окружают нас повсюду: они есть на наших телах, в пище, которую мы едим, и в воздухе, которым мы дышим. Некоторые бактерии полезны, но другие могут вызывать болезни. Ученые хотят понять, как действуют патогены, вызывающие болезни, чтобы создать лучшие методы лечения для пациентов. Ученые также хотят знать, как взращивать хорошие бактерии, которые поддерживают наше здоровье. Большинство исследователей изучают бактерии в лабораторных условиях. Изучение бактерий в пятнышке почвы или на коже может быть затруднено [ 1 ]. Эти образцы содержат ограниченное количество бактерий для изучения и, как правило, смесь многих видов бактерий. Выращивать "фермы" отдельных видов бактерий в лаборатории гораздо проще. Исследователи могут просто вырастить большое количество определенных бактерий, когда хотят провести с ними эксперимент. Однако выращивание бактерий не связано с зелеными полями или загонами для свиней! Вместо этого исследователи выращивают бактерии во многих видах сред.
О, места, где вы будете расти (бактерии)
Когда вы слышите слово "медиа", вы можете подумать о телевидении, кино или социальных сетях. Но когда микробиологи говорят "медиа", они имеют в виду то, как выращивают бактерии. Как фермеры кормят своих цыплят другим кормом, а не рыбой, так и разным видам бактерий для роста нужны разные питательные вещества. Мы можем создавать среды с различными ингредиентами или рецептами, чтобы кормить определенные виды бактерий. Кроме того, среда для выращивания бактерий может быть жидкой или твердой (рис. 1). Сравните куриные и рыбные фермы: куры живут на траве (твердый субстрат), а рыба - в воде (жидкий субстрат). Исследователи превращают жидкую среду в твердую, добавляя в нее ингредиент под названием агар. Агар похож на желе - он растворяется в горячей жидкости, а при охлаждении превращается в твердую массу. Ученые используют жидкие или твердые культуры для разных целей. Жидкие культуры похожи на большой бактериальный суп - все хорошо перемешано. Твердые культуры позволяют бактериям расти в структурированных сообществах, как в городах: то, чем питается одна бактерия и как она общается со своими соседями, меняется в зависимости от места ее обитания [ 2 ].
Как ученые выбирают среду?
Как же ученые выбирают, какие носители информации использовать для своих экспериментов? Это зависит от того, на какие вопросы они хотят получить ответ. Ученые, изучающие патогены, вызывающие кожные заболевания, могут захотеть выращивать бактерии на твердых субстратах, чтобы имитировать рост бактерий на коже. Исследователи, интересующиеся бактериальными генами, могут не беспокоиться о том, как растут бактерии - ДНК бактерии должна оставаться неизменной независимо от способа культивирования. Ученые также выбирают, насколько питательной сделать среду. Бактерии в почве окружены питательными веществами, но кожные патогены часто живут в среде с ограниченным количеством питательных веществ. Решение о том, какую среду использовать, - важный первый шаг, который делают ученые при разработке экспериментов.
Эксперимент в реальном мире: Добро против зла Кишечная палочка
Давайте рассмотрим реальный процесс разработки эксперимента на примере исследования бактерий вида Escherichia coli (E. coli). Вы, возможно, слышали об этом виде, потому что кишечная палочка может вызывать пищевые заболевания, когда растет на говядине или салате. Однако некоторые виды кишечной палочки на самом деле полезны для нас! Эти пробиотические кишечные палочки помогают бороться с патогенными кишечными палочками в кишечнике. В нашем исследовании мы хотели изучить, как пробиотический штамм кишечной палочки под названием Nissle не дает другому штамму кишечной палочки выжить после лечения лекарствами [ 3 ]. Сначала мы вырастили модель патогенной кишечной палочки в жидкой среде с низким содержанием питательных веществ. Минимальное количество питательных веществ представляет собой инфекционную среду. Мы выбрали жидкую культуру, чтобы добавляемое лекарство равномерно перемешивалось и достигало всех бактерий. Через несколько часов мы удалили лекарство и измерили, сколько бактерий еще живы. Даже при высокой дозе препарата часть бактерий всегда выживала. Мы попробовали добавить пробиотик Nissle, чтобы убить бактерии, обработанные лекарством, - и это сработало! При добавлении Nissle в культуру выживало меньше патогенов.
Если бы мы узнали, как работает Nissle, мы могли бы попытаться сделать его еще лучше в уничтожении патогенов. Итак, важный вопрос: как Ниссл убивает другие бактерии? Ниссл может непосредственно касаться других бактерий, чтобы убить их [ 4 ]. Или же Ниссл может послать химическую атаку через жидкость на другие бактерии. Потребуется много времени и денег, чтобы непосредственно наблюдать за нашими бактериями под микроскопом, чтобы увидеть, касаются ли они друг друга или посылают крошечные молекулы через среду. Вместо этого мы решили разработать новый тип системы культивирования, чтобы ответить на этот вопрос.
Разработка новой системы культивирования
Мы назвали нашу новую систему H-Cell, потому что две камеры (или "ячейки") похожи на букву H (рис. 2A, B). Мост с фильтром посередине соединяет две камеры. Фильтр имеет микроскопические отверстия, слишком маленькие для бактерий, но достаточно большие, чтобы пропускать жидкость и химические сигналы между камерами. Таким образом, фильтр не позволяет пробиотику и патогену напрямую соприкасаться. Когда мы повторили наш эксперимент в H-клетке, мы вырастили пробиотик Ниссла в одной стороне, а клетки, обработанные лекарством, - в другой (рис. 2C). В отличие от экспериментов в пробирке, Nissle не убивал бактерии, обработанные лекарством, в H-клетке. Этот результат означает, что для уничтожения патогенных бактерий Nissle необходим физический контакт!
H-клетка позволяет нам задать и другие интересные вопросы о взаимодействии бактерий. В отличие от экспериментов Ниссла, не все взаимодействия между бактериями являются вредными. Когда определенные виды бактерий находятся вместе, лекарства могут быть менее эффективны против них. Многих исследователей интересует, как эти бактерии выживают, будучи партнерами [ 5 ]. Для изучения взаимоотношений между бактериями исследователям нужен способ подсчета каждого вида отдельно, чтобы измерить, насколько хорошо выживает каждый вид бактерий (рис. 3). Один из методов, позволяющих это сделать, называется селективным посевом. Сначала мы используем одну жидкую культуру для выращивания всех видов вместе. Затем мы берем образцы этой многовидовой культуры и переносим их на различные типы твердых сред, каждая из которых содержит уникальную комбинацию питательных веществ, "отбирающих" определенные виды. Количество бактерий, выросших на каждом типе твердой среды, говорит нам о том, сколько представителей одного вида выжило по сравнению с другими. Этот метод не работает, если у разных видов бактерий одинаковый рацион. Другими словами, этот метод не работает, если нет "селективного" питательного вещества, которое можно использовать для выращивания одного вида по сравнению с другим. Эту проблему можно решить с помощью H-клетки. Исследователи могут изучать взаимодействие бактерий, поскольку два вида могут общаться через жидкую среду; но когда придет время подсчитывать выживших, виды будут физически разделены и их можно будет легко измерить.
Какая система лучше?
Как видите, существует множество способов выращивания и изучения бактерий, но у каждой системы есть свои плюсы и минусы. С пробирками с жидкой средой работать легко, но они не очень похожи на человеческую кожу, почву или другие места, где обычно живут бактерии. Ученые создали микрочипы, имитирующие окружающую среду или человеческие органы, но они могут быть дорогими и сложными в использовании. Ни одна система не является идеальной, но именно поэтому научные вопросы изучаются разными способами несколькими исследователями! Исследователи проводят эксперименты, а затем делятся подробностями своих методов и результатами с другими исследователями, чтобы каждый мог сравнить свои системы. В целом каждый эксперимент помогает составить более полное представление о том, как работают бактерии и как мы можем остановить патогены, вызывающие болезни.
