习仁仪器网
当前位置:首页 > 动物消化道微生物培养组学研究进展-上海博迅医疗生物仪器股份有限公司

动物消化道微生物培养组学研究进展-上海博迅医疗生物仪器股份有限公司

[导读]自然环境中绝大部分微生物仍“尚未被培养”,这极大限制了人们对微生物功能的研究,以及微生物资源的开发和利用。培养组学基于微生物基因组信息获得目标微生物的最佳生存环境,上海博迅医疗生物仪器股份有限公司

自然环境中绝大部分微生物仍“尚未被培养”,这极大限制了人们对微生物功能的研究,以及微生物资源的开发和利用。培养组学基于微生物基因组信息获得目标微生物的最佳生存环境,利用膜扩散型培养技术、微流控型培养技术和细胞分选培养技术等从自然环境中分离、培养“尚未被培养”的微生物,并通过高通量组学技术加以鉴定。已成功应用于小鼠、白蚁、鸡、猪和牛消化道微生物的培养,极大地丰富了动物消化道微生物资源库,为深入探究微生物间及其与宿主间的互作关系提供了保障。本文综述了影响微生物培养的因素、培养组学的分选和鉴定技术、培养组学在动物消化道微生物研究中的应用情况,探讨了培养组学的发展前景和面临的挑战。

消化道微生物与其宿主的健康及生产性能密切相关。高通量组学技术有利地揭秘了特定生境下的微生物组成和潜在的群落功能[1]。但受测序深度和测序读长的限制,组学技术难以追踪低丰度的微生物,难以在种水平上比较菌群间的差异[2];且组学获得的功能信息未能在菌株水平上加以验证,仍停留在基因或相关分析水平。因此,结合传统纯培养和高通量组学技术的培养组学,分离、培养基于组学技术获得的“尚未被培养”的微生物,验证其形态特征、生理功能、生长特性、代谢功能、酶促反应等,已成为近年来微生物研究的热点和突破口[3]。

培养组学利用微生物基因组测序数据,获得目标微生物的最佳生存环境,大大提高了目标微生物的可培养性,成功分离、培养和鉴定了生境中大量新的菌株。为人们研究微生物功能及其与宿主间的互作关系提供了菌株资源,使微生物功能研究进入个性化的时代[4]。本文主要综述了影响微生物培养的因素、培养组学的分选和鉴定技术、培养组学在动物消化道研究中的应用,为进一步研究动物肠道微生物提供参考依据。

1 影响微生物培养的因素

微生物的代谢网络极其复杂,其生长依赖于非常严格的环境条件,任何偏差都可能导致微生物无法被成功分离和培养。影响微生物人工培养的因素除微生物生长环境条件和营养物质外,主要有微生物间的生态关系和“群体感应(quorum-sensing)”、休眠微生物的诱导复苏及低丰度微生物的竞争性。

1.1 微生物间的生态关系和“群体感应”

自然环境中微生物间的生态关系复杂多样,主要包括互利共生、互养共栖、共代谢、协同作用、拮抗作用、寄生等。人工培养微生物时,往往忽视或破坏了自然环境中微生物间的生态关系。具有共生或者互养关系的微生物可在共培养条件下稳定生长,但在相同人工培养条件下单独分离培养时,却无法正常生长和存活[5,6]。产氢细菌(H2-producing bacteria)和氢利用产甲烷菌(H2-consuming methanogens)是自然环境中典型的互养共生微生物。Guzman等[7]使用电化学生物反应器模拟产甲烷菌的共生作用,可成功富集Syntrophomonas zehnderi,但完全去除产甲烷菌却无法获得S. zehnderi。微生物间的相互接触是保证共生或互养微生物正常生长的重要条件,使用透析膜分隔培养具有共生或互养关系的微生物,其生长速率远低于共培养[8]。另外,微生物具有“群体感应”功能,可以依据特定的信号分子(如环磷酸腺苷和酰基高丝氨酸内酯等)浓度,判断环境中其他微生物数量的变化,通过诱导菌体中相关基因的表达来适应环境[9]。当微生物从自然环境被转移到人工培养条件下时,“群体感应”系统可通过一系列协调应答反应,促进适应性强的微生物快速生长,但适应性较弱或生长速度较慢的微生物或因营养物质不足而受到抑制。

1.2 休眠微生物的诱导复苏

休眠是一种低代谢活动的可逆状态,很多与人类健康密切相关的微生物(如能够引起炭疽、结核病和霍乱的细菌)遇到有压力的环境就会进入此状态。不少种类微生物还会产生特殊的休眠构造。由于休眠微生物特殊的休眠结构和代谢机制,休眠的微生物需要在特定条件下进行诱导复苏,但这一过程具有随机性,加大了人工分离培养的难度[10]。Dworkin等[11]研究证明,一些信号分子以及微生物间的互作等都有可能影响休眠微生物的复苏。因此,深入探究休眠微生物的形成机制,开发诱导复苏休眠体的方法,对人工分离培养这类微生物至关重要。

1.3 低丰度微生物的竞争性

低丰度微生物在维持生态系统稳定和物质循环中同样发挥着重要的作用[12]。为了提高低丰度微生物人工分离培养的成功率,人们通常借助已公开发表的16S rRNA基因测序数据,获得目标微生物生存的最佳环境(即相对丰度最高的环境),从最佳环境中对其进行富集分离。但是,当对已分离的目标微生物进行培养时,环境中有生长优势的共培养微生物往往可以利用培养基中的营养物质快速生长,迅速成为高丰度微生物,代替目标微生物占据主导地位,从而导致目标微生物难以被成功培养[3]。从环境中分离单细胞作为接种体(inocula)进行培养,是近年来开发的分离培养低丰度微生物较为有效的方法[13,14]。另外,对于寡营养的低丰度微生物,使用营养成分较低的培养基进行培养,在一定程度上可以抑制生长速度较快的共培养微生物生长[15]。

模拟自然环境条件,使微生物生长在适宜浓度的环境因子中,是成功分离、培养目标微生物的关键因素。但由于传统微生物纯培养技术的局限性以及目前对微生物生长特性掌握的片面性,使人工培养条件无法完全还原微生物生长的自然环境,无法完全提供微生物生长所需的全部营养物质。针对传统培养技术缺陷问题,近年来,科学家们开发出一系列微生物培养的新技术,使越来越多自然环境中的新菌株可被分离、培养和鉴定。

相关文章