Питательная среда или среда для культивирования — это твердое, жидкое или полутвердое вещество, предназначенное для поддержки роста популяции микроорганизмов или клеток посредством процесса пролиферации клеток [1] или небольших растений , таких как мох Physcomitrella patens . [2] Для выращивания различных типов клеток используются различные типы сред. [3]
Два основных типа питательных сред — это те, которые используются для клеточной культуры , в которых используются определенные типы клеток, полученные из растений или животных, и те, которые используются для микробиологической культуры , в которых выращиваются микроорганизмы, такие как бактерии или грибы . Наиболее распространенными питательными средами для микроорганизмов являются питательные бульоны и агаровые пластины ; для роста микроорганизмов и клеточных культур иногда требуются специализированные среды. [1] Некоторые организмы, называемые привередливыми организмами , требуют специализированной среды из-за сложных пищевых потребностей. Вирусы , например, являются облигатными внутриклеточными паразитами и требуют питательной среды, содержащей живые клетки.
.jpg/1280px-FDA_Lab_3000_(4494152579).jpg)
Наиболее распространенными средами роста для микроорганизмов являются питательные бульоны (жидкая питательная среда) или среда лизогенного бульона . Жидкие среды часто смешивают с агаром и разливают через стерильный дозатор сред в чашки Петри для застывания. Эти агаровые пластины обеспечивают твердую среду, на которой можно культивировать микробы. Они остаются твердыми, так как очень немногие бактерии способны разлагать агар (исключение составляют некоторые виды в родах: Cytophaga , Flavobacterium , Bacillus , Pseudomonas и Alcaligenes ). Бактерии, выращенные в жидких культурах, часто образуют коллоидные суспензии . [4] [5]
Разница между питательными средами, используемыми для культивирования клеток, и питательными средами, используемыми для микробиологического культивирования, заключается в том, что клетки, полученные из целых организмов и выращенные в культуре, часто не могут расти без добавления, например, гормонов или факторов роста , которые обычно встречаются in vivo . [6] В случае клеток животных эта трудность часто решается путем добавления в среду сыворотки крови или синтетического заменителя сыворотки. В случае микроорганизмов таких ограничений не существует, поскольку они часто являются одноклеточными организмами . Еще одним важным отличием является то, что клетки животных в культуре часто выращиваются на плоской поверхности, к которой они прикрепляются, а среда предоставляется в жидкой форме, которая покрывает клетки. Напротив, бактерии, такие как Escherichia coli, могут выращиваться на твердых или жидких средах.
Важное различие между типами питательных сред заключается в том, что химически определенные и неопределенные среды. [1] Определенная среда будет иметь известные количества всех ингредиентов. Для микроорганизмов они состоят из предоставления микроэлементов и витаминов, необходимых микробу, и особенно определенных источников углерода и азота . Глюкоза или глицерин часто используются в качестве источников углерода, а соли аммония или нитраты в качестве источников неорганического азота. Неопределенная среда имеет некоторые сложные ингредиенты, такие как дрожжевой экстракт или гидролизат казеина, которые состоят из смеси многих химических видов в неизвестных пропорциях. Неопределенные среды иногда выбираются на основе цены, а иногда и необходимости — некоторые микроорганизмы никогда не культивировались на определенных средах.
Хорошим примером питательной среды является сусло, используемое для приготовления пива . Сусло содержит все питательные вещества, необходимые для роста дрожжей, и в анаэробных условиях вырабатывается спирт. Когда процесс ферментации завершен, комбинация средних и спящих микробов, теперь пиво, готова к употреблению. Основные типы:
Питательные среды содержат все элементы, необходимые большинству бактерий для роста, и не являются селективными, поэтому их используют для общего культивирования и поддержания бактерий, хранящихся в лабораторных коллекциях культур.
Неопределенная среда (также известная как базальная или комплексная среда) содержит:
Это неопределенная среда, поскольку источник аминокислот содержит различные соединения; точный состав неизвестен.
Определенная среда (также известная как химически определенная среда или синтетическая среда) — это среда, в которой
Примеры питательных сред:
Определенная среда, которая содержит ровно столько ингредиентов, сколько нужно для поддержания роста, называется «минимальной средой». Количество ингредиентов, которые необходимо добавить в минимальную среду, сильно варьируется в зависимости от того, какой микроорганизм выращивается. [7] Минимальные среды — это те, которые содержат минимальное количество питательных веществ, возможное для роста колонии, как правило, без присутствия аминокислот, и часто используются микробиологами и генетиками для выращивания микроорганизмов «дикого типа». Минимальные среды также можно использовать для отбора за или против рекомбинантов или эксконъюгантов .
Минимальная среда обычно содержит:
Дополнительные минимальные среды — это минимальные среды, которые также содержат один выбранный агент, обычно аминокислоту или сахар. Это дополнение позволяет культивировать определенные линии ауксотрофных рекомбинантов.
Селективные среды используются для роста только выбранных микроорганизмов. Например, если микроорганизм устойчив к определенному антибиотику , такому как ампициллин или тетрациклин , то этот антибиотик можно добавить в среду, чтобы предотвратить рост других клеток, не обладающих устойчивостью. Среды, в которых отсутствует аминокислота, такая как пролин, в сочетании с E. coli, неспособной ее синтезировать, обычно использовались генетиками до появления геномики для картирования бактериальных хромосом.
Селективные питательные среды также используются в клеточной культуре для обеспечения выживания или пролиферации клеток с определенными свойствами, такими как устойчивость к антибиотикам или способность синтезировать определенный метаболит . Обычно наличие определенного гена или аллеля гена придает клетке способность расти в селективной среде. В таких случаях ген называется маркером .
Селективные питательные среды для эукариотических клеток обычно содержат неомицин для отбора клеток, которые были успешно трансфицированы плазмидой, несущей ген устойчивости к неомицину в качестве маркера. Ганцикловир является исключением из правила, поскольку он используется для специфического уничтожения клеток, несущих соответствующий маркер — тимидинкиназу вируса простого герпеса .
Примеры селективных сред:
Дифференциальные или индикаторные среды отличают один тип микроорганизмов от другого, растущего на той же среде. [12] Этот тип среды использует биохимические характеристики микроорганизма, растущего в присутствии определенных питательных веществ или индикаторов (таких как нейтральный красный , феноловый красный , эозин y или метиленовый синий ), добавленных в среду, чтобы визуально указать определяющие характеристики микроорганизма. Эти среды используются для обнаружения микроорганизмов, а молекулярными биологами — для обнаружения рекомбинантных штаммов бактерий.
Примеры дифференциальных сред:
Транспортные среды должны соответствовать следующим критериям:
Примеры транспортных сред:
Обогащенные среды содержат питательные вещества, необходимые для поддержки роста самых разных организмов, включая некоторые из наиболее прихотливых. Они обычно используются для сбора как можно большего количества различных типов микробов, присутствующих в образце. Кровяной агар — это обогащенная среда, в которой богатая питательными веществами цельная кровь дополняет основные питательные вещества. Шоколадный агар обогащается термически обработанной кровью (40–45 °C или 104–113 °F), которая становится коричневой и придает среде цвет, в честь которого она и названа. [15]
Выбор питательной среды может повлиять на физиологическую значимость результатов экспериментов с культурой тканей , особенно для метаболических исследований. [16] Кроме того, было показано, что зависимость клеточной линии от метаболического гена зависит от типа среды. [17] При проведении исследования с участием нескольких клеточных линий использование единой питательной среды для всех клеточных линий может уменьшить смещение в сгенерированных наборах данных. Использование питательной среды, которая лучше отражает физиологические уровни питательных веществ, может улучшить физиологическую значимость исследований in vitro , и недавно были разработаны такие типы сред, как Plasmax [18] и среда, подобная человеческой плазме (HPLM), [19] .
Выбор среды для культивирования клеток имеет решающее значение для эффективного культивирования клеток млекопитающих, существенно влияя на рост клеток, производительность и последовательность между партиями. [20] При экспрессии белка выбор среды также может влиять на терапевтические характеристики производимых белков посредством таких процессов, как гликозилирование. [21] Различные типы сред, такие как содержащие сыворотку, бессывороточные, безбелковые и химически определенные среды, имеют свои определенные преимущества и недостатки.
Среды, содержащие сыворотку, богаты факторами роста, но могут приводить к проблемам изменчивости и загрязнения. Фетальная бычья сыворотка (ФБС) обычно используется из-за ее высокой способности поддерживать рост клеток, хотя она вызывает проблемы биологической безопасности из-за своего непостоянного состава. [20] Напротив, среды без сыворотки (СБС) предлагают стандартизированные формулы, которые повышают надежность и снижают риски загрязнения. Они разработаны для включения основных питательных веществ, таких как аминокислоты, витамины и глюкоза, но иногда могут обеспечивать более слабые показатели роста по сравнению с альтернативами, содержащими сыворотку. [22] Разработка сред без белка и с определенным химическим составом направлена на достижение большей согласованности и контроля в процессах культивирования клеток.
В конечном итоге состав питательной среды напрямую влияет на жизнеспособность и продуктивность клеток, поэтому тщательный выбор и разработка питательной среды имеют решающее значение для успешного культивирования клеток млекопитающих.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )