Reichhaltige Repositorien von bisher unerforschten Mikroben existieren in natürlichen Umgebungen wie Böden, Gewässern und extremen Umgebungen. Es ist jedoch eine Herausforderung, diese enorme Artenvielfalt an Mikroben zu erschließen, da die meisten von ihnen mit herkömmlichen Labormedien und -methoden nicht einfach kultiviert werden können. Die große Plattenzahlanomalie beschreibt dieses Phänomen und unterstreicht die unterschiedliche Anzahl von Mikroorganismen, die visuell beobachtet werden können, im Vergleich zu denen, die in Nährmedien wachsen1. Die Umgehung dieser Barriere und der Zugang zu der unkultivierbaren Vielfalt von Mikroben und ihren Produkten könnte möglicherweise verschiedene biotechnologische Bedürfnisse erfüllen.
So ist beispielsweise die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen zu einer Bedrohung für die globale öffentliche Gesundheit geworden. Große Pharmakonzerne zögerten, die Entdeckung neuer antimikrobieller Wirkstoffe voranzutreiben, was dazu führte, dass die Entdeckungsrate im Vergleich zur Häufigkeit des Auftretens von Resistenzen gegen bestehende Antibiotika zurückging 2,3. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entdeckung neuartiger antimikrobieller Wirkstoffe4. Da sich mikrobielle Gemeinschaften parallel oder in Konkurrenz5 entwickelt haben, haben sie das Potenzial entwickelt, neuartige chemische Verbindungen zu produzieren, die ihre Überlebenschancen verbessern. Die enorme Vielfalt von Umweltmikroben und ihren Produkten ist bisher nicht vollständig erforscht, da traditionelle laborkulturbasierte Methoden oft zur Isolierung ähnlicher, bekannter Mikroben führen. Dies liegt daran, dass herkömmliche Nährmedien und -methoden auf die Kultivierung von für den Menschen relevanten Mikroben ausgerichtet sind und die natürliche Umgebung nicht nachahmen. Die Entwicklung von Nährmedien für die Kultivierung von Umweltmikroben ist eine Herausforderung, da das Wachstum einiger Arten verschiedene Nährstoffe erfordern kann, die oft von anderen Mikroben in der Umgebung produziert werden, und spezifische Umweltbedingungen.
Um dieses Problem anzugehen und Umweltmikroben in situ zu kultivieren, wurden zunächst Diffusionskammern entwickelt6. Die Diffusionskammer ist ein O-Ring aus Edelstahl. Der Raum innerhalb des Rings wird mit Agar gefüllt, der mit einer geeigneten Probenverdünnung besiedelt wurde. Die Ober- und Unterseite des Rings werden dann mit Polycarbonatmembranen abgedichtet, die die Diffusion von aus dem Boden gewonnenen Nährstoffen und Metaboliten ermöglichen und gleichzeitig das Eindringen anderer Mikroben in die Kammer6 verhindern. Nach der Aussaat wird die Platte in die Umgebung gestellt, aus der die Probe entnommen wird, um eine In-situ-Kultur zu ermöglichen. Die Diffusionskammer war hocheffizient und führte zur Kultivierung zahlreicher zuvor nicht kultivierbarer Mikroben. Das O-Ring-Design mit Agar wurde jedoch mühsam und durchsatzarm, was einen Problemraum für weitere Innovationen offen ließ6. Bald darauf wurde ein Isolationschip (iChip) entwickelt, der in der Lage war, in situ zu kultivieren und gleichzeitig Reinkulturen mit hohem Durchsatz zu gewinnen7. Dieses Design ist konzeptionell identisch mit einer Diffusionskammer, besteht jedoch aus mehreren Kanälen, wobei jeder Kanal als unabhängige Diffusionskammer fungiert, was eine potenzielle Rückgewinnung einer einzelnen Mikrokolonie aus jeder Kammerermöglicht 8. Die Neugestaltung des Designs der Diffusionskammer verbesserte den Durchsatz der Technologie erheblich und ermöglichte die Isolierung und Kultivierung einer größeren Artenvielfalt von Taxa aus Boden, Meerwasser9, heißen Quellen10 usw. Teixobactin, ein kürzlich beschriebenes Antibiotikum, wurde nach der oben beschriebenen Technologie entdeckt11. Es wies einen neuartigen Mechanismus der antimikrobiellen Wirkung auf und erwies sich als tödlich gegen Krankheitserreger, die invasive Infektionen verursachen, was zeigt, dass die Hochdurchsatzisolierung von Mikroben aus mikrobieller "dunkler Materie" mit dieser Technologie effizient für die Entdeckung biotechnologisch relevanter Naturstoffe optimiert werden kann12.
Dieser Artikel dient als Verfahrensleitfaden für die effektive Implementierung dieser Hochdurchsatztechnologie für die in situ Kultivierung und Rückgewinnung von antimikrobiell produzierenden widerspenstigen Bakterien aus mikrobieller "dunkler Materie" im Boden. Das Protokoll beschreibt das Design eines Isolationschips, die Entnahme von Proben, die Probenvorbereitung, die Aussaat, die Inkubation und die Rückgewinnung. Obwohl das vorgestellte Protokoll die In-situ-Kultivierung von Mikroben aus dem Boden zeigt, kann diese leicht für die In-situ-Kultivierung von Mikroben aus jeder Umgebung angepasst werden. Die Hochdurchsatzfähigkeiten dieser Technologie könnten die Wahrscheinlichkeit erhöhen, neue Mikroben zu entdecken und ihr biosynthetisches Potenzial für verschiedene biotechnologische Anwendungen zu nutzen.