Микробиологическая культура , или микробная культура , представляет собой метод размножения микробных организмов , позволяя им размножаться в заранее определенной питательной среде в контролируемых лабораторных условиях. Микробные культуры являются основополагающими и основными диагностическими методами, используемыми в качестве исследовательских инструментов в молекулярной биологии .
Термин «культура» может также относиться к выращиваемым микроорганизмам.
Микробные культуры используются для определения типа организма, его распространенности в исследуемом образце или и того, и другого. Это один из основных диагностических методов микробиологии , который используется в качестве инструмента для определения причины инфекционного заболевания , позволяя возбудителю размножаться в заранее определенной среде. Например, культура из горла берется путем соскабливания слизистой оболочки задней стенки горла и промокания образца в среде, чтобы иметь возможность провести скрининг на наличие вредных микроорганизмов, таких как Streptococcus pyogenes , возбудитель стрептококковой инфекции горла. [1] Кроме того, термин культура более широко используется неформально для обозначения «избирательного выращивания» определенного вида микроорганизмов в лаборатории.
Часто необходимо выделить чистую культуру микроорганизмов. Чистая (или аксеническая ) культура — это популяция клеток или многоклеточных организмов, растущих в отсутствие других видов или типов. Чистая культура может происходить из одной клетки или одного организма, в этом случае клетки являются генетическими клонами друг друга. Для желирования микробной культуры используется среда агарозного геля ( агар ). Агар — это желатиновое вещество, получаемое из морских водорослей . Дешёвым заменителем агара является гуаровая камедь , которую можно использовать для изоляции и поддержания термофилов .
Первой питательной средой была жидкая среда, разработанная Луи Пастером в 1860 году. [2] Она использовалась в лаборатории до разработки Робертом Кохом твердой среды в 1881 году. [3] Метод Коха, заключавшийся в использовании плоской пластины для твердой среды, был заменен круглой коробкой Юлиуса Ричарда Петри в 1887 году. [2] Со времени этих основополагающих изобретений появилось множество разнообразных сред и методов, помогающих ученым выращивать, идентифицировать и очищать культуры микроорганизмов.
Культивирование прокариот обычно включает бактерии, поскольку археи трудно культивировать в лабораторных условиях. [4] Чтобы получить чистую прокариотическую культуру, необходимо начать культивирование с одной клетки или одной колонии организма. [5] Поскольку прокариотическая колония является бесполым потомством одной клетки, все клетки генетически идентичны и дадут чистую культуру.
Для вирусных и фаговых культур требуются клетки-хозяева, в которых размножаются вирус или фаг. Для бактериофагов культуры выращиваются путем заражения бактериальных клеток. Затем фаг можно выделить из полученных бляшек в газоне бактерий на пластине. Вирусные культуры получают из соответствующих им эукариотических клеток-хозяев. Метод штрихового посева — это способ физического разделения микробной популяции, который осуществляется путем распределения инокулята вперед и назад с помощью инокуляционной петли по твердой пластине агара. После инкубации будут возникать колонии, и из биомассы будут выделены отдельные клетки . После того, как микроорганизм был выделен в чистую культуру, необходимо сохранить его в жизнеспособном состоянии для дальнейшего изучения и использования в культурах, называемых исходными культурами. Эти культуры необходимо поддерживать таким образом, чтобы не было потери их биологических, иммунологических и культурных свойств.
Культуры эукариотических клеток обеспечивают контролируемую среду для изучения эукариотических организмов . Одноклеточные эукариоты, такие как дрожжи, водоросли и простейшие, могут культивироваться теми же способами, что и прокариотические культуры. То же самое относится и к многоклеточным микроскопическим эукариотам, таким как C. elegans .
Хотя макроскопические эукариотические организмы слишком велики для культивирования в лаборатории, клетки, взятые из этих организмов, можно культивировать. Это позволяет исследователям изучать отдельные части и процессы макроскопического эукариота in vitro .
Одним из методов микробиологического культивирования является жидкое культивирование, в котором желаемые организмы суспендируются в жидкой питательной среде, такой как бульон Лурии , в вертикальной колбе. Это позволяет ученому выращивать большие количества бактерий или других микроорганизмов для различных последующих применений.
Жидкие культуры идеально подходят для подготовки антимикробного анализа, в котором жидкий бульон инокулируется бактериями и оставляются для роста на ночь (можно использовать «шейкер» для механического перемешивания бульона, чтобы способствовать равномерному росту). Затем берутся аликвоты образца для проверки антимикробной активности конкретного препарата или белка ( антимикробные пептиды ).
В качестве альтернативы можно использовать статические жидкие культуры. Эти культуры не встряхиваются и обеспечивают микробам кислородный градиент. [6]
Микробиологические культуры можно выращивать в чашках Петри разных размеров, которые имеют тонкий слой питательной среды на основе агара. После того, как питательная среда в чашке Петри инокулирована желаемыми бактериями, чашки инкубируются при оптимальной температуре для выращивания выбранных бактерий (например, обычно при 37 градусах Цельсия или температуре человеческого тела для культур от людей или животных, или ниже для культур из окружающей среды). После достижения желаемого уровня роста чашки с агаром можно хранить в холодильнике в перевернутом виде в течение длительного периода времени, чтобы сохранить бактерии для будущих экспериментов.
Существует множество добавок , которые можно добавлять в агар перед тем, как его выльют в чашку и дадут затвердеть. Некоторые типы бактерий могут расти только в присутствии определенных добавок. Это также можно использовать при создании модифицированных штаммов бактерий, содержащих ген устойчивости к антибиотикам . Когда выбранный антибиотик добавляется в агар, расти смогут только бактериальные клетки, содержащие вставку гена, придающую устойчивость. Это позволяет исследователю выбирать только те колонии, которые были успешно трансформированы.
Миниатюрная версия агаровых пластин, реализованная в форматах щупов, например, Dip Slide, Digital Dipstick [7], демонстрирует потенциал для использования в месте оказания медицинской помощи в диагностических целях. Они имеют преимущества перед агаровыми пластинами, поскольку они экономически эффективны, а их эксплуатация не требует специальных знаний или лабораторной среды, что позволяет использовать их в месте оказания медицинской помощи.
Селективные и дифференциальные среды раскрывают характеристики микроорганизмов, которые на них культивируются. Этот тип среды может быть селективным, дифференциальным или как селективным, так и дифференциальным. Выращивание культуры на нескольких типах селективных и дифференциальных сред может очистить смешанные культуры и раскрыть ученым характеристики, необходимые для идентификации неизвестных культур.
Селективные среды используются для различения организмов, позволяя определенному виду организмов расти на них, одновременно подавляя рост других. Например, эозин-метиленовый синий (ЭМБ) может использоваться для отбора против грамположительных бактерий, большинство из которых имеют заторможенный рост на ЭМБ, и отбора грамотрицательных бактерий, рост которых не подавляется на ЭМБ. [8]
Ученые используют дифференциальные среды при культивировании микроорганизмов, чтобы выявить определенные биохимические характеристики организмов. Эти выявленные черты затем можно сравнить с признаками известных микроорганизмов, чтобы попытаться идентифицировать неизвестные культуры. Примером этого является агар Макконки (MAC), который выявляет бактерии, ферментирующие лактозу, с помощью индикатора pH, который меняет цвет, когда в результате ферментации образуются кислоты. [9]
На многоцелевых панелях бактерии, выделенные из ранее выращенной колонии, распределяются по каждой лунке, каждая из которых содержит питательную среду, а также ингредиенты для биохимического теста, который будет изменять поглощение лунки в зависимости от бактериальных свойств для тестируемой цели. Панель будет инкубироваться в машине, которая впоследствии проанализирует каждую лунку с помощью метода на основе света, такого как колориметрия, турбидиметрия или флуорометрия. [10] Объединенные результаты будут автоматически сравниваться с базой данных известных результатов для различных видов бактерий, чтобы сгенерировать диагноз того, какой вид бактерий присутствует в текущей панели. Одновременно он выполняет тестирование на чувствительность к антибиотикам .
Культуры колотых микроорганизмов похожи на агаровые пластины, но формируются из твердого агара в пробирке. Бактерии вводятся с помощью иглы для инокуляции или кончика пипетки, прокалываемого в центр агара. Бактерии растут в проколотой области. [11] Культуры колотых микроорганизмов чаще всего используются для краткосрочного хранения или транспортировки культур. Кроме того, культуры колотых микроорганизмов могут выявить характеристики культивируемых микроорганизмов, такие как подвижность или потребность в кислороде.
Для твердых культур термофильных микроорганизмов, таких как Bacillus acidocaldarius, Bacillus stearothermophilus, Thermus aquaticus и Thermus thermophilus и т. д., растущих при температуре от 50 до 70 градусов по Цельсию, было доказано, что низкоацилированная осветленная геллановая камедь является предпочтительным гелеобразующим агентом по сравнению с агаром для подсчета или изоляции или обоих вышеуказанных термофильных бактерий. [12]
Коллекции микробных культур сосредоточены на приобретении, аутентификации, производстве, сохранении, каталогизации и распространении жизнеспособных культур стандартных эталонных микроорганизмов , клеточных линий и других материалов для исследований в области микробной систематики . [13] [14] Коллекции культур также являются хранилищами типовых штаммов .
.jpg/1280px-%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0_%D1%81_%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BC_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BC_(cropped).jpg)