פרוטוקול זה מתאר תכנון ושימוש בשבב בידוד (iChip) לגידול באתרו של חיידקי קרקע עקשנים בסביבתם הטבעית. הוא גם מתאר גידול באתרם של חיידקי קרקע המייצרים אנטי-מיקרוביאליים. ניתן להתאים את הפרוטוקול לשחזור חיידקים מנישות מגוונות עם תכונות רצויות אחרות.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
פרוטוקול זה מתאר תכנון ושימוש בשבב בידוד (iChip) לגידול באתרו של חיידקי קרקע עקשנים בסביבתם הטבעית. הוא גם מתאר גידול באתרם של חיידקי קרקע המייצרים אנטי-מיקרוביאליים. ניתן להתאים את הפרוטוקול לשחזור חיידקים מנישות מגוונות עם תכונות רצויות אחרות.
מערכות אקולוגיות מאכלסות מיליוני חיידקים סביבתיים, חלקם מסוגלים לייצר מוצרים רלוונטיים מבחינה ביוטכנולוגית כגון אנזימים, ויטמינים, חומצות אמינו, חומצות אורגניות, חומרים אנטי-פרזיטיים וחומרים אנטי-מיקרוביאליים. רוב החיידקים הסביבתיים הללו נחשבים "בלתי ניתנים לתרבית" מכיוון ששיטות התרבות במעבדה אינן עומדות בדרישות התזונתיות/סביבתיות שלהם. יתר על כן, מכיוון שהם מתקיימים במקביל בטבע, הם עשויים להיות תלויים גם בחומר מזין/מטבוליט המיוצר על ידי חבר אחר בקהילה המיקרוביאלית. הכנסת המגוון המיקרוביאלי ה"לא מתורבת" לתוך התרבות תציג הזדמנות לחקור את המגוון העצום של מוצרים ביו-אקטיביים שהם עשויים לקודד. מאמר זה מתאר את היישום של טכנולוגיית iChip, תא דיפוזיה רב-ערוצי שפותח עבור תפוקה גבוהה, תרבית באתרה של החיידקים ה"בלתי ניתנים לתרבית". בהתחשב באיום העולמי של עמידות אנטי-מיקרוביאלית, המאמר מספק פרוטוקול מפורט לגידול והתאוששות באתרם של מבודדים מ'החומר האפל' המיקרוביאלי המסוגל לייצר חומרים אנטי-מיקרוביאליים, כדוגמה. פרוטוקול זה מתאר את השלבים המעורבים, החל משלב איסוף דגימות הקרקע ועד לשחזור המבודדים, ומדגיש את הגורמים הסבירים שעשויים להשפיע על הצלחת הבידוד. השימוש בטכנולוגיה זו לא רק מקל על בידוד חיידקים "בלתי ניתנים לתרבית" לגילוי אנטיביוטיקה, אלא גם מאפשר לחוקרים להתעמק באקולוגיה המורכבת של הקרקע, שלאחר מכן ניתן לנצל אותה למספר עצום של יישומים אחרים.
מאגרים עשירים של מיקרובים שלא נחקרו בעבר קיימים בסביבות טבעיות כמו אדמה, גופי מים וסביבות קיצוניות. עם זאת, זה מאתגר לנצל את המגוון הביולוגי העצום הזה של חיידקים, מכיוון שלא ניתן לגדל את רובם בקלות באמצעות מדיה ושיטות מעבדה מסורתיות. האנומליה הגדולה של ספירת הצלחות מתארת תופעה זו, ומדגישה את המספרים המנוגדים של מיקרואורגניזמים שניתן לצפות בהם חזותית לעומת אלה שנצפו גדלים במצע תרבית1. עקיפת מחסום זה ומתן גישה למגוון הבלתי ניתן לתרבות של חיידקים ותוצריהם עשויה לענות על צרכים ביוטכנולוגיים שונים.
לדוגמה, התפתחות עמידות לאנטיביוטיקה הפכה לאיום על בריאות הציבור העולמית. תאגידי התרופות הגדולים לא ששו להמשיך בגילוי אנטי-מיקרוביאלים חדשים, מה שגרם לקצב הגילוי להצטמצם בהשוואה לקצב הופעת העמידות לאנטיביוטיקה קיימת 2,3. לפיכך, יש צורך קריטי בגילוי אנטי-מיקרוביאלים חדשים4. מכיוון שקהילות מיקרוביאליות התפתחו יחד במקביל או בתחרות5, הן פיתחו פוטנציאל לייצר תרכובות כימיות חדשות המשפרות את סיכויי ההישרדות שלהן. המגוון העצום של מיקרובים סביבתיים ותוצריהם לא נחקר במלואו, מכיוון ששיטות מסורתיות מבוססות תרבית מעבדה מובילות לעתים קרובות לבידוד של מיקרובים דומים וידועים. הסיבה לכך היא שאמצעי התרבות והשיטות הקונבנציונליים מוטים לטובת טיפוח חיידקים רלוונטיים לאדם ואינם מחקים סביבות טבעיות. תכנון מצעי גידול לטיפוח חיידקים סביבתיים הוא מאתגר, מכיוון שגדילה של מינים מסוימים עשויה לדרוש חומרי מזון שונים, המיוצרים לעתים קרובות על ידי מיקרובים אחרים בסביבה, ותנאים סביבתיים ספציפיים.
כדי לטפל בבעיה זו ולטפח חיידקים סביבתיים באתרם, פותחו לראשונה תאי דיפוזיה6. תא הדיפוזיה הוא טבעת O מנירוסטה. החלל בתוך הטבעת מלא באגר זרוע עם דילול דגימה מתאים. החלק העליון והתחתון של הטבעת נאטמים לאחר מכן בממברנות פוליקרבונט, המאפשרות דיפוזיה של חומרי הזנה ומטבוליטים שמקורם באדמה תוך מניעת חדירת חיידקים אחרים לתוך החדר6. לאחר הזריעה מניחים את הצלחת בסביבה ממנה נאספת הדגימה כדי לאפשר תרבית באתרה. תא הדיפוזיה היה יעיל ביותר והביא לגידול של חיידקים רבים שלא היו ניתנים לעיבוד בעבר. עם זאת, עיצוב טבעת ה-O עם אגר הפך לעמלני ובעל תפוקה נמוכה, והשאיר מקום בעייתי לחידושים נוספים6. זמן קצר לאחר מכן, תוכנן שבב בידוד (iChip), שהיה מסוגל לתרבית באתרו ולשחזור בו זמנית בתפוקה גבוהה של תרביות טהורות. עיצוב זה זהה מבחינה רעיונית לתא דיפוזיה אך מורכב ממספר ערוצים כאשר כל תעלה פועלת כתא דיפוזיה עצמאי, המאפשר התאוששות פוטנציאלית של מיקרו-מושבה בודדת מכל תא8. הדמיון המחודש של עיצוב תא הדיפוזיה שיפר מאוד את תפוקת הטכנולוגיה ואיפשר בידוד וטיפוח של מגוון ביולוגי גדול יותר של טקסונים מאדמה, מים ימיים9, מעיינות חמים10 וכו'. Teixobactin, אנטיביוטיקה שתוארה לאחרונה, התגלתה בעקבות הטכנולוגיה שתוארה לעיל11. הוא הציג מנגנון חדש של פעולה אנטי-מיקרוביאלית ונמצא קטלני נגד פתוגנים הגורמים לזיהומים פולשניים, מה שמדגים כי ניתן לייעל ביעילות בידוד בתפוקה גבוהה של חיידקים מ"חומר אפל" מיקרוביאלי לגילוי מוצרים טבעיים רלוונטיים מבחינה ביוטכנולוגית באמצעות טכנולוגיה זו12.
מאמר זה משמש כמדריך פרוצדורלי ליישום יעיל של טכנולוגיה בעלת תפוקה גבוהה זו לגידול והתאוששות באתרם של חיידקים עקשנים המייצרים אנטי-מיקרוביאלים מ"חומר אפל" מיקרוביאלי בקרקע. הפרוטוקול מתאר את התכנון של שבב בידוד, איסוף דגימות, הכנת דגימות, זריעה, דגירה והתאוששות. למרות שהפרוטוקול המוצג מדגים תרבית באתרה של חיידקים מהאדמה, ניתן להתאים אותו בקלות לגידול באתרו של חיידקים מכל סביבה. יכולות התפוקה הגבוהות של טכנולוגיה זו יכולות להגדיל את הסבירות לגילוי חיידקים חדשים ולניצול הפוטנציאל הביו-סינתטי שלהם ליישומי ביוטכנולוגיה שונים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. עיצוב והדפסת תלת מימד
2. איסוף דגימות קרקע
3. הכנה לדוגמא לזריעה
4. זריעה והרכבה
5. טיפוח והתאוששות באתרו
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ה-iChip המשמש בפרוטוקול זה תוכנן, הודפס בתלת-ממד והורכב כפי שמוצג באיור 1. הסקירה הכללית של הפרוטוקול המתואר מוצגת באיור 2. דגימת האדמה ששימשה לניסוי נאספה מקמפוס IIT Jodhpur ברג'סטאן, הודו. הכתובת הייחודית בת שלוש המילים של המיקום הייתה 'תקשורת.פיקוח.הישנות '. המיקום שנבחר היה אזור צחיח למחצה עם טמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס ביום הדגימה. דגימת הקרקע נאספה באמצע הקיץ. הדגימות נאספו באופן אספטי בעומק של 6-7 אינץ' עם טמפרטורה תת-קרקעית של 35 מעלות צלזיוס לקופסת פולי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בתי הגידול הייחודיים הרבים על פני כדור הארץ מארחים קהילות מיקרוביאליות שונות המייצגות מגוון עצום. זה עדיין לא נחקר בשל מגבלות במתן תנאי גידול מתאימים הנדרשים לגידולם. חלק מהחיידקים תלויים במטבוליטים שאחרים משחררים להישרדותם, ולכן אינם מסוגלים לשרוד באופן עצמאי בתנאי מעבדה. בנוסף, חיידקים ממלאים תפקיד מכריע גם בתזמור מחזורים ביוגיאוכימיים, שלא ניתן לחקות בסביבת המעבדה. רוב המגוון הביולוגי המיקרוביאלי והארכיטקטורות הכימיות החדשות שהם מקודדים הולכים לאיבוד בחלק הבלתי ניתן לתרבות של "החומר ה...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים אינם חושפים ניגוד אינטרסים.
A.V. נתמך על ידי תוכנית מלגות המחקר של ראש הממשלה (PMRF), ממשלת הודו. V.V. נתמך על ידי תוכנית Innovation in Science Pursuit for Inspired Research Fellowship (INSPIRE) על ידי המחלקה למדע וטכנולוגיה, ממשלת הודו. הביקור של I.B מומן בחלקו על ידי מלגת פולברייט APE מ-USIEF. המחברים מודים למחלקה למדע ביולוגי וביו-הנדסה ולמכון הטכנולוגי ההודי בג'ודפור על התמיכה הלוגיסטית ואספקת התשתית לעבודה זו. הסיוע הטכני של ד"ר סודארשנה נג'י, גב' אסתה קאפור, מר טמאל דיי, מר בהרט פאריק, מר אג'יט סינג וחברים אחרים במעבדה לפיזיולוגיה מיקרוביאלית, IIT ג'ודפור זוכה להכרת תודה.
קבוצת משתתפים ADSB-2024
קבוצת המשתתפים בקורס הקצר בנושא גילוי אנטיביוטיקה בחיידקי קרקע (ADSB) 2024, שאורגן במחלקה לביו-מדע וביו-הנדסה, המכון הטכנולוגי ההודי ג'ודפור (השמות מופיעים בסדר אלפביתי):
אבינאש קומאר ג'נה, בנישרי ג'אלי, בהרט גורנאני, בהרט פאריק, דיפרו מוקהרג'י, גארימה קאנוואר שקאוואט, ג'י טי וישנו, ג'ייטה סרקר, קרישנה סהראן, קריטי סינגהל, לך ראג', מיטה בינדוסרי, פולן סארמה, פריאנקה קומארי, ראצ'אנה דינש, סאטינדרה סינג וסוואטי סוג'ית'
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תלת מימד | Protolabs, ארה"ב | 1631-833 | ספק שירותי הדפסת תלת מימד |
| Agarose | Himedia, הודו | MB002 | רכיב מדיה |
| חומצות Casamino | Sisco, הודו | 68806 | רכיב מדיה |
| Casein Digest | ASES, הודו | C5890 | רכיב מדיה |
| ממברנת פוליקרבונט | Sterlitech, ארה"ב | PCT00347100 | |
| עמילן תפוחי אדמה | Himedia, הודו | GM403 | רכיב מדיה |
| PowerPoint | מיקרוסופט, ארה"ב | N/A | משמש ליצירת רכיבי iChip תכנון ראשוני |
| PTC Creo | PTC, USA | N/A | משמש למחשב תלת מימד בעזרת דוגמנות של רכיבי iChip |
| מרק סויה טריפטי | Himedia, הודו | M011 | מדיום מעבדה |
| What3Words | What3Words, בריטניה | N/A | משמש להקלטת קואורדינטות של מיקום הדגימה |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה