Среда для роста

Твердое, жидкое или гель-вещество, используемое для выращивания микроорганизмов или клеток.

Агаровая пластинка — пример среды для роста бактерий*: в частности, это пластинка со штрихами ; оранжевые линии и точки образованы бактериальными колониями.

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.

Типы

Ученые из Управления по контролю за продуктами и лекарствами США проводят тесты на сальмонеллу

Культура бактерий сальмонеллы

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 по 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
• минимальные медиа
• селективные медиа
• дифференциальные среды
• транспортные средства массовой информации
• индикаторные медиа

Культуральные среды

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.

Растения Physcomitrella patens , растущие аксенически на агаровых пластинах ( чашка Петри , диаметр 9 см)

Неопределенная среда (также известная как базальная или комплексная среда) содержит:

• источник углерода, такой как глюкоза
• вода
• различные соли
• источник аминокислот и азота (например, говядина, дрожжевой экстракт)

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

• все используемые химикаты известны
• дрожжи, животные или растительные ткани отсутствуют

Примеры питательных сред:

• питательный агар
• агар для подсчета колоний
• триптиказо-соевый агар

Минимальные медиа

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:

• источник углерода, которым может быть сахар, такой как глюкоза, или менее богатый энергией источник, такой как сукцинат
• различные соли, которые могут различаться в зависимости от вида бактерий и условий выращивания; они обычно обеспечивают необходимые элементы, такие как магний , азот , фосфор и сера , позволяющие бактериям синтезировать белок и нуклеиновые кислоты
• вода

Дополнительные минимальные среды — это минимальные среды, которые также содержат один выбранный агент, обычно аминокислоту или сахар. Это дополнение позволяет культивировать определенные линии ауксотрофных рекомбинантов.

Избирательные медиа

Бескровная селективная среда-агар на основе угля (CSM) для выделения кампилобактера

Пластины с кровяным агаром часто используются для диагностики инфекции. Справа — положительная культура стафилококка ; слева — положительная культура стрептококка .

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 .

Четыре типа агаровых пластин, демонстрирующих дифференциальный рост в зависимости от метаболизма бактерий

Примеры селективных сред:

• Эозин метиленовый синий содержит красители, токсичные для грамположительных бактерий. Является селективной и дифференциальной средой для колиформ.
• YM ( агар с дрожжевым экстрактом ) имеет низкий pH , что сдерживает рост бактерий.
• МЭА ( агар с солодовым экстрактом ) имеет низкий уровень pH , что препятствует росту бактерий.
• Агар МакКонки предназначен для грамотрицательных бактерий.
• Гектоеновый энтероагар селективен в отношении грамотрицательных бактерий.
• Селективная среда HIS представляет собой среду для культивирования клеток, в которой отсутствует аминокислота гистидин.
• Маннит-солевой агар селективен для грамположительных бактерий и дифференциально действует на маннит.
• Дезоксихолат ксилозы лизина селективен в отношении грамотрицательных бактерий.
• Агар с забуференным древесным углем и дрожжевым экстрактом селективен в отношении некоторых грамотрицательных бактерий, особенно Legionella pneumophila .
• Агар Бэрда-Паркера предназначен для грамположительных стафилококков .
• Агар Сабуро избирателен к некоторым грибкам благодаря низкому pH (5,6) и высокой концентрации глюкозы (3–4%).
• DRBC (дихлорановый розовый бенгальский хлорамфениколовый агар) — селективная среда для подсчета плесени и дрожжей в пищевых продуктах. Дихлоран и розовый бенгальский ограничивают рост колоний плесени, предотвращая чрезмерный рост обильных видов и помогая точному подсчету колоний. ^[8]
• Для эктомикоризных грибов используют среду MMN (модифицированная среда Мелина-Норкранса) и среду BAF . ^{[9] [10]}
• Колумбийский агар с налидиксовой кислотой (CNA) содержит антибиотики (налидиксовую кислоту и колистин), которые подавляют грамотрицательные организмы, способствуя селективной изоляции грамположительных бактерий . ^[11]

Дифференциальные среды

Агар МВП — хромогенная среда для дифференциации основных микроорганизмов, вызывающих инфекции мочевыводящих путей (ИМП).

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:

• Кровяной агар (используемый в тестах на стрептококки ) содержит кровь бычьего сердца, которая становится прозрачной в присутствии β-гемолитических организмов, таких как Streptococcus pyogenes и Staphylococcus aureus .
• Эозинметиленовый синий является дифференциальным красителем для ферментации лактозы.
• Среда «Гранада» является селективной и дифференциальной для Streptococcus agalactiae (стрептококк группы B), который растет в этой среде в виде характерных красных колоний.
• Агар МакКонки отлично подходит для ферментации лактозы.
• Маннит-солевой агар является отличительной чертой ферментации маннита.
• Пластины X-gal являются дифференциальными для мутантов lac оперона .

Транспортные СМИ

Транспортные среды должны соответствовать следующим критериям:

• Временное хранение образцов, транспортируемых в лабораторию для культивирования
• Поддерживать жизнеспособность всех организмов в образце, не изменяя их концентрацию.
• Содержат только буферы и соль
• Отсутствие углерода, азота и органических факторов роста для предотвращения размножения микробов
• Транспортные среды, используемые при изоляции анаэробов, не должны содержать молекулярный кислород.

Примеры транспортных сред:

• Тиогликолевый бульон предназначен для строгих анаэробов .
• Транспортная среда Стюарта ^{[13] [14]} представляет собой непитательный мягкий агаровый гель, содержащий восстановитель для предотвращения окисления и древесный уголь для нейтрализации.
• Для борьбы с гонококками используют определенные бактериальные ингибиторы, а для борьбы с кишечными бациллами — забуференный глицериновый солевой раствор.
• Для V. cholerae используется среда Венкатарамана Рамакришны (VR) .

Обогащенные медиа

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]

Физиологическая значимость

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] .}

Смотрите также

• Культура клеток
• Импедансная микробиология
• Модифицированная среда Чи

Ссылки

1. Madigan M, Martinko J, ред. (2005). Brock Biology of Microorganisms (11-е изд.). Prentice Hall. ISBN 0-13-144329-1.
2. Биргит Хаделер; Сиркка Шольц; Ральф Рески (1995). «Гельрит и агар по-разному влияют на чувствительность мха к цитокинину». Журнал физиологии растений . 146 (146): 369–371. Bibcode : 1995JPPhy.146..369H. doi : 10.1016/S0176-1617(11)82071-7.
3. Райан К.Дж., Рэй К.Г., ред. (2004). Sherris Medical Microbiology (4-е изд.). McGraw Hill. ISBN 0-8385-8529-9.
4. Ганс Гюнтер Шлегель (1993). Общая микробиология. Кембриджский университет. стр. 459. ISBN 978-0-521-43980-0. Получено 6 августа 2013 г.
5. Париджа, Шубхаш Чандра (1 января 2009 г.). Учебник микробиологии и иммунологии. Elsevier India. стр. 45. ISBN 978-81-312-2163-1. Получено 6 августа 2013 г.
6. Купер, GM (2000). «Инструменты клеточной биологии». Клетка: молекулярный подход . Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 0-87893-106-6.
7. Кэтрин А. Ингрэм, Джон Л. Ингрэм (2000). Введение в микробиологию .
8. Corry, Janet EL; Curtis, GDW; Baird, Rosamund M., ред. (1995-01-01). "Агар с дихлораном, розовым бенгальским хлорамфениколом (DRBC)". Progress in Industrial Microbiology . 34. Elsevier: 303–305. doi :10.1016/s0079-6352(05)80036-0. ISBN 978-0-444-81498-2. Получено 2020-04-20 .
9. Ислам, Ферзана; Ога, Шоджи (2013-03-12). «Влияние состава среды на рост и морфологию эктомикоризы и их связь с растением-хозяином». Международные научные исследовательские уведомления . 2013 : e317903. doi : 10.1155/2013/317903 .
10. Чайтали Бхаттачарья; Алок Адхолея. «Демонстрация эктомикоризной культуры». книжный магазин.teri.res.in . Проверено 4 февраля 2023 г.
11. Версалович, Джеймс; Американское общество микробиологии, ред. (2011). Руководство по клинической микробиологии (10-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-1-55581-463-2. OCLC  657027913.
12. Вашингтон, JA (1996). "Принципы диагностики". В Baron, S; et al. (ред.). Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Медицинское отделение Техасского университета. ISBN 0-9631172-1-1.
13. Мицухаши, Джун (2002), «Подготовка среды», Методы культивирования тканей беспозвоночных , Токио: Springer Japan, стр. 25–32, doi :10.1007/978-4-431-67875-5_3, ISBN 978-4-431-70313-6, получено 2023-09-07
14. Смрити, Сайфун Нахар (2023-09-07). "Культуральные среды: определение, типы и методы приготовления". GreenLeen.Com . Получено 2023-09-07 .
15. "Культура обогащения - обзор". Темы ScienceDirect . Получено 2023-09-07 .
16. Lagziel S, GottliebE, Shlomi T (2020). «Mind your media» (Осторожно, медиа). Nature Metabolism . 2 (12): 1369–1372. doi :10.1038/s42255-020-00299-y. PMID  33046912. S2CID  222319735.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
17. Lagziel, S; Lee, WD; Shlomi, T (2019). «Вывод зависимости рака от метаболических генов из крупномасштабных генетических скринингов». BMC Biology . 17 (1): 37. doi : 10.1186/s12915-019-0654-4 . PMC 6489231. PMID  31039782 . 
18. Ванде Вурде, Дж.; Акерманн, Т.; Пфетцер, Н.; Самптон, Д.; Маккей, Г.; Кална, Г.; и др. (2019). «Улучшение метаболической точности моделей рака с помощью физиологической среды для культивирования клеток». Science Advances . 5 (1): eaau7314. Bibcode :2019SciA....5.7314V. doi :10.1126/sciadv.aau7314. PMC 6314821 . PMID  30613774. 
19. Cantor JR, Abu-Remaileh M, Kanarek N, Freinkman E, Gao X, Louissaint A; et al. (2017). «Физиологическая среда перестраивает клеточный метаболизм и раскрывает мочевую кислоту как эндогенный ингибитор UMP-синтазы». Cell . 169 (2): 258–272.e17. doi :10.1016/j.cell.2017.03.023. PMC 5421364 . PMID  28388410. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки

• «Потребности клеток в питательных веществах»