Czyste kultury to kluczowy dogmat mikrobiologii w XX wieku. Aby zrozumieć istotę tego pojęcia, warto pamiętać, że bakterie są bardzo małe i morfologicznie trudne do rozróżnienia. Różnią się jednak procesami biochemicznymi i to jest właśnie ich główna cecha gatunkowa. Ale w normalnym środowisku nie mamy do czynienia z jednym rodzajem bakterii, ale z całym biomem - społecznością, która na siebie wpływa i nie można wyróżnić roli jednego mikroorganizmu. I to jest miejsce, w którym potrzebujemy czystej kultury lub szczepu określonego gatunku.
Łowcy drobnoustrojów i agar-agar
Genialny pomysł izolacji czystych kultur drobnoustrojów należy do mikrobiologa medycznego Heinricha Hermanna Roberta Kocha (1843-1910). Ten, który odkrył czynnik sprawczy wąglika, cholery i gruźlicy i jest zasłużenie uważany za twórcę bakteriologii i epidemiologii.
On jest tym jedynymwynalazł metodę czystych kultur, w której rozcieńczoną kulturę drobnoustrojów nakłada się na pożywkę opartą na polisacharydzie agarowo-agarowym i z jednej komórki wyrasta kolonia całkowicie identycznych organizmów. Jest wyraźnie widoczny gołym okiem i jest specyficzny dla każdego gatunku.
Jego wynalazek dał impuls do rozwoju mikrobiologii i taksonomii mikroorganizmów. Przecież możliwe było hodowanie dowolnego drobnoustroju w jego czystej postaci i badanie stu milionów komórek jako jednego.
Bez umniejszania osiągnięć Kocha
Warto zauważyć, że do powstania tego wynalazku przyczynili się współpracownicy i studenci Kocha. Tak więc pomysł wykorzystania agar-agaru należy do Fanny Angeliny Hesse, żony asystenta Kocha - W. Hesse.
Kolejny asystent Kocha, bakteriolog Julius Richard Petri (1852-1921), zasugerował hodowanie kolonii bakterii w płaskich szklanych naczyniach. Dziś nawet dzieci w wieku szkolnym wiedzą o szalkach Petriego.
Dogmatyzm mikrobiologii
Czysta (asceniczna) kultura - zbiór (populacja lub szczep) mikroorganizmów, które mają identyczne właściwości morfologiczne i biochemiczne i są potomkami jednej komórki.
Izolacja czystej kultury obejmuje realizację trzech etapów:
- Pozyskiwanie i gromadzenie kultury mikroorganizmów.
- Izolacja czystej kultury.
- Oznaczanie i weryfikacja czystości kultury.
Metody izolacji czystej kultury
W mikrobiologii stosuje się następujące metody w celu uzyskania kultury aksenowejorganizmy:
- Metody mechaniczne (posiew na szalki Petriego za pomocą szpatułki lub ezy, posiew przez rozcieńczenie agaru - rozprowadzanie płytek, metoda separacji oparta na ruchliwości mikroorganizmów).
- Biologiczna - metoda, w której zarażane są zwierzęta laboratoryjne podatne na patogen. W ten sposób z organizmu myszy izoluje się czyste kultury bakterii (np. pneumokoków i pałeczek tularemii).
- Metody oparte na selektywnej odporności mikroorganizmów na określone czynniki. Na przykład po podgrzaniu wszystkie bakterie tworzące przetrwalniki umrą, podczas gdy bakterie nie tworzące przetrwalników pozostaną w czystej kulturze. W kontakcie z kwasami wrażliwe na nie bakterie umierają, podczas gdy kwasoodporne (np. prątki gruźlicy) przeżywają. Działanie antybiotyków pozostawia na pożywce czystą kulturę drobnoustrojów, które nie są na nią wrażliwe. Stworzenie środowiska beztlenowego oddzieli aeroby od beztlenowców.
Do czego to służy
Zastosowanie czystych kultur:
- W taksonomii naukowej przy klasyfikowaniu (określaniu miejsca filogenetycznego w systemie) mikroorganizmów.
- W badaniu dziedziczności i zmienności organizmów.
- W diagnostyce zakaźnej i wykrywaniu patogenów.
- Podczas izolowania czystej kultury bakterii, które prowadzą do psucia się żywności.
- W produkcji witamin, enzymów, antybiotyków, serum i szczepionek.
- W przemyśle spożywczym (produkcja chleba, wina,kwas chlebowy i piwo (bakterie octowe i jednokomórkowe grzyby drożdżowe), produkty kwasu mlekowego (bakterie mlekowe i bakterie kwasu mlekowego)).
- W biotechnologii i badaniu wirusów.
W naturze wszystko jest zupełnie inne
W latach 90. ubiegłego wieku wszystko nagle się zmieniło w odniesieniu do czystych kultur. Okazało się, że drobnoustroje dwóch czystych szczepów połączone w jednej probówce zachowują się zupełnie inaczej niż same. Biochemiczne procesy ich życiowej aktywności wpływają na siebie (tłumią lub stymulują). Dokładnie to dzieje się w naturalnych biomach.
Wniosek jest prosty: właściwości czystej kultury w laboratorium nie mogą być ekstrapolowane na naturalne biomy.
Rewolucja Genomowa
Kolejny cios zadała genomiczna identyfikacja mikroorganizmów. Początkowo do analizy genomowej mikroorganizmów genetycy molekularni wybrali region rybosomalnego RNA wspólny dla wszystkich bakterii. Zgodnie z różnicami w sekwencji nukleotydów w tym kwasie nukleinowym, wszystkie bakterie zostały rozmieszczone na podstawie zależności filogenetycznej.
Wtedy okazało się, że hodowane szczepy i bakterie, które badaliśmy, stanowią około 5% wszystkich bakterii zamieszkujących naszą planetę. I w przeciwieństwie do szczepów kulturowych, nie wiemy nic o ich właściwościach i biochemii.
Po znalezieniu odpowiedniej sekwencji w genomie naturalnego szczepu możemy umieścić ją tylko na drzewie filogenetycznym izałóżmy, że w naturze ma te same właściwości, co najbliżej spokrewniony szczep czystej linii.
I co dalej?
Sekwencjonowanie genomu bakteryjnego z pojedynczej komórki jest wciąż w przyszłości. Dziś natomiast jest to drogie i bardzo trudne. I tak czyste linie pozostają „złotą rezerwą” mikrobiologii.
Chociaż trudności pozostają. Na przykład ostatnio badano bakterie „czarnych palaczy” znajdujące się na dnie oceanu. Mikroorganizm został opisany, a jego genom zsekwencjonowany bez izolowania czystej kultury.
Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku bakterii żyjących w głębinach kopalni złota. Okazało się, że jest to czysta linia mikroorganizmów - potomków jednej bakterii.
Jednak organizmy te nie rosną na pożywkach i jak dotąd nikomu nie udało się wyhodować kolonii czystego szczepu.
Wiadomości biotechnologiczne
Ludzkość staje przed wieloma pytaniami w rozwoju tej gałęzi wiedzy stosowanej. I to nie tylko biologiczne, ale i etyczne. W jakim stopniu człowiek może zmienić otaczający go świat i nie zaszkodzić mu? Pytanie pozostaje otwarte.
Ale dzisiaj biotechnologia jest wprowadzana do naszego życia. Tak więc wyhodowano już szczepy bakterii, które są w stanie żywić się plastikiem i rozkładać go. Dopóki robią to powoli. Ale naukowcy pracują nad swoim genomem. Nikogo nie dziwi, że cała ludzka insulina jest „wytwarzana” przez genetycznie zmodyfikowane bakterie E. coli.
Sztuczna biosyntezajuż dziś dostarcza nam biogaz i biopaliwa w postaci wysokocząsteczkowych węglowodanów pochodzenia naturalnego (produkty odpadowe bakterii, grzybów pierwotniakowych przetwarzających biomasę naszych odpadów na paliwo, energię, chemikalia).
Grunty orne i słodka woda są dziś najważniejszym składnikiem ograniczonych zasobów naturalnych. Nowe biotechnologie (bioremediacja) dają możliwość wykorzystania mikroorganizmów do przywrócenia ich potencjału i usunięcia zanieczyszczeń.
I to wszystko - przyszłość już tu jest.
