细菌是生态系统的重要组成部分。他们是至关重要的对我们的健康和环境,在粮食生产有重要的作用,为工程师们提供工具来利用它们的属性和制造化合物。然而,他们也可以是有害的,导致伤害和疾病。因此这些微生物生长能力的必不可少的一步能够利用他们的权力,识别有害的罪魁祸首,推进我们的理解和能力。在本文中,我们考虑什么是细菌培养,文化影响因素条件下,和一些常见问题的众多应用程序。

细菌培养是什么?

细菌培养方法,使细菌细胞的增殖或在实验室控制条件下培养基。优化复制所需的确切条件将取决于目标细菌物种。

有氧和厌氧文化之间有什么区别?

大多数细菌可以长到一定程度上氧的存在,被称为有氧文化。但对于最优增长的条件应调整以适应目标细菌。物种在大气条件下,例如在皮肤表面或上呼吸道,通常生长在氧气的存在。物种自然发现在低氧环境中,如在深伤口或脓肿或深海,通常会在缺乏氧气,生长最好厌氧培养。一些不能在有氧气的存在,这些被称为专性厌氧生物。例子包括梭菌属和拟杆菌属。¹同样,那些不能在氧气存在的情况下被称为生长专性需氧菌。为了文化的例子包括革兰氏阴性铜绿假单胞菌²和结核分枝杆菌,³结核病的病原体。然而,研究表明,在某些情况下可以进行无氧呼吸。细菌可以生长在需氧或厌氧的条件下,从有氧呼吸氧发酵或无氧呼吸,如果不在,被称为兼性厌氧菌。例子包括革兰氏阳性葡萄球菌,⁴大肠杆菌(大肠杆菌),⁵沙门氏菌⁶和李斯特菌spp . .⁷

细菌培养的方法

细菌培养的成功,需要提供营养的培养基。有许多不同的配方供细菌种类的不同的营养需求。的类型的媒介你选择将取决于文化的目的。丰富、营养或完整的媒体时可以帮助试图做大量的纯培养的细菌细胞状态良好。最小的媒体另一方面将只提供生存的必需品,可用于操纵哪些途径打开的细菌。

媒体也可以归入定义或未定义的。正如名字所暗示的那样,在一个定义的媒体,所有的原料是已知的。未定义的媒体往往包含复杂混合物的营养和化学物种在未知的比例,如酵母提取物。

无论选择哪种媒介,这可能是在液态形式肉汤文化,或琼脂可以添加到媒体和允许细菌细胞种植在固体表面。

文化肉汤

文化在液体媒体,也称为肉汤培养,细菌容易获得可用的营养比静态细菌菌落。温和的搅拌,以防止细菌在介质中分散在孵化期间可以获得进一步援助。液体媒体也会冲淡废物形成,通过文化分发它们。因此,更高质量的细菌可能会获得同等体积的液体与固体介质。

因此你可能想用肉汤文化当旨在增强你的文化,例如,当使用细菌产生一个理想的化合物,在食品生产中提取DNA或质粒。

当想要长期储存细菌菌株,他们可能在液体媒体长大。然后添加甘油,这将防止完全冻结和顺向细菌细胞裂解,允许他们存储在-80°以这种方式长期存储保存菌株- - - - - -有帮助收集菌株在很长一段时间- - - - - -防止损失价值的菌株,也降低了风险可能发生的突变使重复。

营养琼脂

液体添加琼脂媒体能让它被设置在培养皿中,例如在斜坡或插头。坚实的媒体是非常有用的,当你想从一个混合选择个别殖民地文化,例如当净化诊断样本。如果你想列举集落形成单位(cfu)的数量在给定体积的液体样品,电镀和孵化在稳固的媒体也允许这个。接种到山坡或上刺的文化运输压力也可以方便的方法从实验室到实验室没有潜在传染性材料泄漏的危险。

选择性和微分媒体

有选择性的媒体⁸也可以促进或抑制某些物种的生长,物种或菌株与特定属性组。这可能是基于应变的能力,利用特定的营养,产生某些副产品或对某些抗生素产生抗药性。选择可用于肉汤和坚实的媒体。

应变的能力增长不可能通过颜色变化指示微分媒体和常被用来识别细菌物种或亚型。例如,分析剖面指数(API)测试条,细菌培养与一系列的基板,生产不同的颜色变化模式基于他们的新陈代谢,从而使识别。

压力在哪里溶血性血琼脂上,经济增长使溶血评估的类型,帮助识别物种呈现(图1)。

图1: 血琼脂文化展示α(左),β(中心)和γ(右)溶血。来源:Mibilehre,复制Creative Commons Attribution-Share都4.0国际许可证。

添加抗生素液体媒体将防止抗药菌株的生长。这可能是有用的培养工程应变时,添加了一种抗生素抗性基因作为标记。增长的污染物种或殖民地工程已经成功将因此被选中。

抗生素可能会添加到固体媒体准备期间,完成一个类似的角色,在液体介质。另外,antibiotic-infused磁盘可能被放置在稳固的媒体上感兴趣的一个污点已接种。菌株对抗生素敏感,一个明确的区域没有增长将是可见的盘随着细菌草坪的增长,支持,例如,选定一个合适的抗生素治疗感染(图2)。

图2: 抗生素耐药性测试;左边的文化里的细菌对抗生素敏感光盘中包含的白皮书。右边的细菌对大部分抗生素。信贷:格雷厄姆胡子博士,复制Creative Commons Attribution-Share都4.0国际许可证。

以及氧条件和营养需求已经讨论过的,不同种类的温度和湿度将最优增长变化,反映出它们的自然栖息地。物种通常发现在身体深处,如肠道或下呼吸道,可能生长最好的37岁°C -体温。相反地,物种,例如,土壤中可能需要凉爽的温度。当执行细菌上的遗传操作,温度可以用作开关控制的集成热敏质粒,从而促进期望的结果。

细菌生长曲线是什么?

而利率的细菌物种之间会有所不同,他们通常会遵循大致相同的增长模式在肉汤培养。细菌细胞的数量在一个文化可以通过各种方式估计包括电镀和菌落计数或通过测量浊度的文化紫外可见光谱。当这是策划与时间(通常在对数刻度),它被称为生长曲线,⁹如图3所示。

图3: 细菌生长曲线显示的例子1)滞后阶段,2)指数/日志阶段,3)固定相,4)死亡阶段。

1。 停滞阶段 ——细菌正在适应他们的新增长条件。这个阶段的长度将取决于这些类似以前的条件和细胞的状况。细菌可能需要自我修复,产生酶和核糖核酸复制或合成分子缺乏周围环境。

2。 指数或对数阶段 ——一旦细胞适应他们的条件,他们需要的分子,细胞分裂开始认真。这是一种可预测的模式,加倍的持续时间将取决于适合细菌种类的条件。快速增长,因此一个陡坡,将发生在接近最优条件。在这一点上的细菌细胞健康,因此通常细胞用于其他实验的阶段。

3所示。 固定相 ——营养变得筋疲力尽,废物积累和空间可能会短,放缓进一步分裂,产生新细胞的数量等于死亡。这被视为一个平缓的增长曲线。新细菌细胞接受生理变化以适应饥饿条件。产孢物种,孢子形成也可能开始。

4所示。 死亡或衰退期 ——条件不再支持增长,稳定细胞目前观察到的状况恶化导致生长曲线下降。不能存活细胞仍可能导致浊度测量用来评估细胞数量,保持值高于真正可行的细胞的数量。通常,一些细胞将永远是可行的变异或进入休眠状态时才能生存。

获得纯培养

纯粹的文化是只包含细菌种类你想成长。的这种可以实现可能会在很大程度上取决于样本的来源,目标物种的丰度比其他物种和目标物种本身。如果你的源是另一个纯培养或应变,孤立和存储在冰箱里,然后可能已经纯粹的文化。但是,如果来源是临床或环境样本,可能存在许多其他细菌种类和潜在的真菌,也会在你的文化条件下快乐成长。选择性的媒体和限制生长条件(例如,有氧和厌氧的文化)可以帮助消除非目标物种和狭窄的领域。裸奔在固体样品媒体而不是成肉汤培养将允许视觉识别感兴趣的殖民地的一般背景。可能需要挑选re-streak细菌菌落感兴趣的新鲜的琼脂板上几次可以获得纯培养。一旦实现,他们可能会被种植在液体培养。如果目标物种存在只有在较低的数字,可能需要连续多个板块原样品为了孤立他们。有些物种比别人更加迅速和积极,这也是一个要考虑的因素。

它可能并不总是需要获得一个纯文化取决于你实验的目的。如果可以确定目标物种之间的背景下别人,这对你的目的是充分的,然后获得纯培养可能不是必需的。例如,然而,如果你希望执行进一步有针对性的化验或细菌培养用于生产或食物,然后获取和维护一个纯粹的文化可能是至关重要的。

常见问题与细菌培养

• 污染——污染细菌培养的问题,特别是如果它未被发现。在最好的情况下,这可能意味着需要分离纯培养,但在最糟糕的情况下可能会导致疾病和非常昂贵的补救工作如果是发生在食物或生产环境中。文化污染可能来自许多来源,从原样品本身的过程培养甚至存储。好无菌技术文化可以帮助避免细菌污染。
  
  
• 一些物种的过度发展——有些细菌物种种植容易,积极。当试图隔离一个物种从一个混合样本,这些有力的物种可能生长过度和面具缓慢增长目标物种的存在。使用选择性的媒体和最佳生长条件你的目标物种(如果已知)可以帮助缓解这个问题。尝试文化样品后尽快采取确保尽可能代表。
  
  
• 采样前抗生素治疗——在一个诊断设置,重要的是要知道抽样前抗生素治疗后。如果是这样的话,失败文化特定物种并不表明它没有感染的原因。
  
  
• 不正确的生长条件——的使用不恰当的或不适合生长条件完全可能妨碍或阻止你的目标菌株的生长。一定要仔细检查增长需求或如果使用抗生素选择确保正确的抗生素耐药基因的选择礼物。
  
  
• Non-culturable和增长缓慢的生物——有些细菌物种,即使是现在,无法在实验室中生长起来。¹⁰其他人,如分枝杆菌,¹¹生长非常缓慢,可能需要数月时间文化成功,而当试图诊断感染的问题尤其严重。

细菌培养的应用

有很多原因可能是必要或可取的文化细菌细胞。在这里,我们考虑一些常见的目的。

诊断感染

尽管它可以采取隔离的时间和识别细菌物种从一个样本,细菌培养仍然是一个重要的诊断工具。¹²而聚合酶链反应可能快速识别一个特定的病原体的存在,隔离罪魁祸首会确认它是活的,提醒分析师潜在传播风险和通知处理。这也意味着菌株可以进一步审问等信息抗生素敏感性指导治疗的选择。压力也可能存储以供将来参考,例如疾病监测的目的。

基因操作

也许是理想的操纵菌株的基因组的原因;试图理解的基本生物学,减弱它在创建疫苗株时,过度生产蛋白质和创建一个参考应变的检测标记等等。变异,是否删除或插入遗传物质,有一个基本需要文化感兴趣的应变¹³前、中、后的基因工程的过程。

流行病学研究

培养和描述菌株可以为流行病学研究是至关重要的。¹⁴这使得科学家们研究细菌种群随时间变化的- - - - - -可以告知治疗、疫苗和诊断设计和更新- - - - - -和研究传播事件可以反过来通知之类的公共卫生政策和建议。的淋球菌的隔离监测项目(GISP)就是这样的一个项目,监控抗生素耐药性菌株,帮助通知药物治疗建议。疾病控制和预防中心(CDC)同时运行活跃的细菌核心监测(abc)系统,提供实验室,以人群为基础的公共卫生监测入侵的细菌病原体的重要性。

扩大,使组学研究

虽然测序DNA和RNA可以执行与微量的遗传物质,即使在单细胞水平上,许多研究下一代测序(门店)仍在执行材料从许多细菌细胞,细菌通常需要培养前DNA或RNA提取。¹⁵如果你有兴趣在一个特定的菌株(与微生物的研究将包含一个混合),那么这很可能是来自一个纯粹的文化。

开发疫苗和疗法

为了对抗细菌病原体,您通常需要文化,病原体。在疫苗的发展,¹⁶可能需要文化菌株理解他们的基因组,放大他们的基因或操纵他们。同样,为了测试候选疫苗或治疗,常常需要执行挑战实验¹⁷个人的挑战与病原体治疗是否有效。要做到这一点,通常种植和菌株,在挑战模式定义,枚举控制和确定受试者接受剂量。

食品和饮料生产

细菌的一个重要组成部分许多食品的生产和大致分为益生菌发酵剂。

益生菌一般培养有利于人类健康,¹⁸通常通过我们的肠道微生物组。而益生菌可能包含许多不同种类的细菌,乳酸菌和双歧杆菌属文化是常见的选择。

发酵剂另一方面通常用作食品生产过程的一部分,开发风味、口感、营养价值或改进保存。例子包括酵母面包意大利香肠,¹⁹意大利辣香肠和火腿干。乳酸菌发酵剂(实验室)是常见的。然而,一些食品和饮料可能可以说坐在两个阵营,如酸奶和越来越受欢迎的泡菜^20.和康普茶产品消耗了他们的口味以及益生菌的好处。

不管目的是为文化,保持健康,含污染物文化对最优生产和消费者的安全是至关重要的。

检测食品污染物

有些细菌可能是有利的,粮食生产,他们也可能作为污染物的存在可能导致严重的食源性疾病。常见的原因包括沙门氏菌sp。单核细胞增多性李斯特氏菌,空肠弯曲杆菌和大肠杆菌。因此,重要的是,分析师可以文化食物样本的任何潜在的有害细菌,即使他们是在较低的数字。

引用

1。加勒特WS Onderdonk AB 249 -拟杆菌,普氏菌,Porphyromonas,梭菌属物种(和其他医学上重要的厌氧革兰氏阴性杆菌)。班纳特:我,道林R,巴索MJ eds。Mandell、道格拉斯和贝内特的原则和实践的传染病(第八版)。桑德斯。b;2015:2773 - 2780。doi:10.1016 / b978 - 1 - 4557 - 4801 - 3.00249 - 6

2。克雷斯波,Pedraz L, Astola J,激流E。铜绿假单胞菌展览缺乏生物膜的形成没有第二和第三类核苷酸还原酶由于厌氧生长受阻。前面Microbiol。2016;7:688。doi:10.3389 / fmicb.2016.00688

3所示。史密斯我。结核分枝杆菌发病机理和分子毒性的决定因素。中国Microbiol牧师。2003;16 (3):463 - 496。doi:10.1128 / cmr.16.3.463 - 496.2003

4所示。哈里斯L,福斯特年代,理查兹r .介绍金黄色葡萄球菌,识别和量化的技术金黄色葡萄球菌丰富的与生物材料附着力:审查。eCM。2002;4:39-60。doi:10.22203 / eCM.v004a04

5。冯Wulffen J, Sawodny O,封地r .厌氧的过渡大肠杆菌好氧生活文化:demand-directed动态平衡mRNA和蛋白水平通量平衡分析。《公共科学图书馆•综合》。2016;11 (7):e0158711。doi:10.1371 / journal.pone.0158711

6。帕金,鲍曼L, Roessler MM, et al。沙门氏菌在有氧条件下氧化H2。2月的信。2012,586 (5):536 - 544。doi:10.1016 / j.febslet.2011.07.044

7所示。Lungu B,里奇SC,约翰逊毫克。增长、生存、增殖和发病机理单核细胞增多性李斯特氏菌在低氧或厌氧条件下:一个回顾。厌氧生物。7 - 17 2009;15 (1 - 2):。doi:10.1016 / j.anaerobe.2008.08.001

8。阀盖,Lagier JC,拉乌尔D, Khelaifia s细菌培养通过选择性和非选择性条件:在临床微生物培养基的进化。新的微生物感染。2020;34:100622。doi:10.1016 / j.nmni.2019.100622

9。麦尔RM。第三章:细菌生长。:麦尔RM,胡椒,Gerba CP环境微生物学。学术出版社。2000:37-54。国际标准图书编号:978-0-12-497570-5

10。Bodor, Bounedjoum N, Vincze通用电气et al。unculturable细菌的挑战:环境的观点。生物科技牧师环境科学》19日,22页(2020)。doi:10.1007 / s11157 - 020 - 09522 - 4

11。Pfyffer通用电气、Wittwer f .培养时间的分枝杆菌文化:多长时间足够长问题最终负向医生报告?中国Microbiol。2012;50 (12):4188 - 4189。doi:10.1128 / JCM.02283-12

12。朱利亚诺C, Patel CR, Kale-Pradhan PB。细菌培养鉴定指南和结果解释。P T。2019年,44 (4):192 - 200。PMC6428495

13。费尔斯U, Gevaert K,被满脸的石灰p .细菌基因工程的手段recombineering反向遗传学。前面。Microbiol。2020;11:2161。doi:10.3389 / fmicb.2020.548410

14。雷恩BW Parkhill J。细菌流行病学和生物基因组测序的教训。基因组医学杂志。2011;12 (10):230。doi:10.1186 / gb - 2011 - 12 - 10 - 230

15。Gautam党卫军,KC R,梁千瓦,Mac Aogain M O ' toole射频。一个循序渐进的初学者的协议人类全基因组测序的细菌病原体。J生物方法。2019;6 (1):e110。doi:10.14440 / jbm.2019.276

16。Giesker K, Hensel m .细菌性疫苗。:参考模块在生物医学科学。爱思唯尔;2014年。doi:10.1016 / b978 - 0 - 12 - 801238 - 3.00141 - 0

17所示。阿泽帕迪Osowicki J, KI,法夫里L, et al .的人类感染控制模型酿脓链球菌咽炎(CHIVAS-M75):一个观测,研究研究。柳叶刀微。2021;2 (7):e291-e299。doi:10.1016 / s2666 - 5247 (20) 30240 - 8

18岁。Bazireh H, Shariati P, Azimzadeh Jamalkandi年代,艾哈迈迪,Boroumand马。隔离的小说益生菌乳酸菌和肠球菌从人类的唾液和粪便来源菌株。前面Microbiol。2020;11:3064。doi:10.3389 / fmicb.2020.597946

19所示。Kim EB Yoon司法院,金正日D,李SK,李米,张成泽a质量和乳酸菌的多样性包含泡菜粉猪肉香肠。韩国食品Sci动画Resour J。2018年,38 (5):912 - 926。doi:10.5851 / kosfa.2018.e24

20.歌HS, Whon TW,金正日J, et al .微生物领域原材料确定泡菜发酵过程中微生物群落组装。食品化学。2020;318:126481。doi:10.1016 / j.foodchem.2020.126481