Двойные эмульсии как высокая

ISME Communications, том 3, номер статьи: 47 (2023 г.) Цитировать эту статью

Доступы 2002 г.

19 Альтметрика

Подробности о метриках

Наше понимание микробной физиологии in situ в первую очередь основано на физиологической характеристике быстрорастущих и легко изолируемых микробов. Обогащение микробов для получения новых изолятов с более медленными темпами роста или физиологией, адаптированной к среде с низким содержанием питательных веществ, страдает от внутренних предубеждений в отношении наиболее быстрорастущих видов при использовании стандартных протоколов лабораторного выделения. Необходимы новые инструменты культивирования, чтобы минимизировать эти предубеждения и обогатить менее изученные таксоны. В этом исследовании мы разработали высокопроизводительную платформу для обогащения бактерий, основанную на инкапсуляции одиночных клеток и росте в двойных эмульсиях (GrowMiDE). Мы показали, что GrowMiDE может культивировать множество различных микроорганизмов и обогащать недостаточно представленные таксоны, которые никогда не наблюдаются при традиционном периодическом обогащении. Например, предотвращение доминирования быстрорастущих микробов в обогащении благодаря приватизации питательных веществ в каплях двойной эмульсии позволило культивировать более медленно растущие Negativicutes и Methanobacteria из образцов стула в культурах обогащения богатой среды. В экспериментах по конкуренции между специализированными штаммами по скорости роста и урожайности обогащения GrowMiDE предотвращали конкуренцию за общие пулы питательных веществ и обогащали более медленно растущие, но более эффективные штаммы. Наконец, мы продемонстрировали совместимость GrowMiDE с коммерческой сортировкой клеток, активируемой флуоресценцией (FACS), для получения изолятов из обогащений GrowMiDE. Вместе GrowMiDE + DE-FACS представляет собой новую многообещающую высокопроизводительную платформу для обогащения, которую можно легко применять для разнообразного микробного обогащения или скрининга.

Наше понимание микробной физиологии во многом основано на исследованиях с использованием микробов, выделенных в чистых культурах. Методы выделения новых микробов за последние 140 лет включают воссоздание благоприятной среды и потока питательных веществ в лаборатории, имитирующей естественные условия, а затем попытки восстановить выращенные новые виды. В результате современные методы по своей сути ориентированы на быстрорастущие микробы, которые могут конкурировать с другими видами за общие питательные вещества, даже с видами с незначительными различиями в максимальной скорости роста (µMax) (рис. S1–S3) [1, 2]. У отсутствующих, медленнорастущих видов могут быть неизвестные физиологические стратегии адаптации к естественной среде обитания, которые, вероятно, играют решающую роль в устойчивости сообщества [3]. Например, эффективность роста (урожайность роста) по сравнению со скоростью роста была предложена в качестве стратегии выживания в условиях низкого потока питательных веществ или в пространственно-структурированных средах, включая биопленки [1, 2, 4] и морскую подземную среду (~ 30% биомассы Земли). [5,6,7,8]. Дополнительной нетривиальной задачей является создание подходящей химической среды, которая поддерживает рост микроорганизмов с различным образом жизни (например, олиготрофов или копиотрофов). Таким образом, существует острая необходимость в разработке новых инструментов культивирования, которые минимизируют смещение в сторону высоких темпов роста микробов.

Традиционные методы, ограничивающие конкуренцию за ограниченные ресурсы (например, путем приватизации питательных веществ), обычно основаны на пространственном разделении и включают в себя разбавление до вымирания или высаживание колониеобразующих единиц [9, 10]. Однако эти методы зависят от численности клеток, имеют низкую производительность и не способствуют извлечению микробов, которые плохо растут на границе раздела воздух-жидкость, особенно анаэробов [11, 12]. Подходы капельной микрофлюидики стали мощным высокопроизводительным методом культивирования новых микроорганизмов в изолированных биореакторах, каждый из которых имеет точное распределение реагентов, необходимых для роста [10, 13,14,15,16], что облегчает скрининг устойчивости к антибиотикам [13, 17, 18] и измерения клеточной активности [19,20,21]. В большинстве микробиологических капельных подходов используются отдельные капли эмульсии, в которых водные капли, содержащие клетки и среду, суспендированы в масляной фазе. Многие исследования показали полезность одноэмульсионно-капельной микрофлюидики для изучения микробного разнообразия [21,22,23,24], получения геномов высокого качества [25] и функционального скрининга [10, 13, 16, 18]. Методы обогащения одиночной эмульсии также продемонстрировали отбор штаммов, которые имеют повышенную урожайность или более медленные темпы роста, что служит доказательством концепции влияния приватизации питательных веществ на результаты обогащения [26]. Однако для последующего анализа одиночных капель эмульсии требуется специальное оборудование, и они сортируются только в ходе демонстраций, подтверждающих концепцию, с низкой скоростью сортировки и ограниченными каналами флуоресценции [27, 28], что затрудняет их применение в новых системах.