$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Het huidige begrip van de rol van micro-organismen in de natuur, in gezondheid en ziekte, is nog steeds voornamelijk gebaseerd op onderzoek met pure culturen. Dit onderzoeksgebied is echter veel complexer, aangezien de meeste bacteriën onder laboratoriumomstandigheden niet kunnen worden gekweekt, wat ons leidt tot de filosofische vraag hoe we microbiële functies kunnen ontdekken als we niet eens weten wat de groeivereisten zijn van een groot deel van de natuurlijk voorkomende microbiota. Het herstel van micro-organismen uit complexe omgevingen (d.w.z. bodem, sputum, voedselmatrices) is grotendeels afhankelijk van de kennis van abiotische factoren zoals vocht, wateractiviteit, pH, saliniteit, samenstelling van de atmosfeer, temperatuur en nutriëntenbronnen1,2. Bovendien zijn in complexe matrices de microbiële interacties (d.w.z. concurrentie, antagonisme) ook van cruciaal belang. Daarom moeten de meest robuuste modellen voor microbiologisch ecologisch onderzoek zowel abiotische als biotische factoren overwegen om de autochtone gemeenschappen beter te kunnen nabootsen.
De vooruitgang van op omics gebaseerde technologieën zoals metataxonomie, metagenomica, metatranscriptomics, metametabolomics en single-cell gene sequencing van microbiële gemeenschappen heeft een diepgaande beschrijving opgeleverd van de metabolische en taxonomische eigenschappen van microbiële ecosystemen, waardoor gegevens worden gegenereerd over cultiveerbare en niet-cultiveerbare microbiota1,3. Daarnaast werpen deze nieuwe technieken ook licht op de complexe relaties tussen micro-organismen van voedsel-, menselijke, dierlijke, bodem- en plantaardige microbiomen. Parallel hieraan is een ander interessant paradigma in de microbiële ecologie culturomics, een term die werd geïntroduceerd door Lagier et al.4, die de herstel van eerder over het hoofd geziene bacteriesoorten uit de menselijke darm vertegenwoordigt met behulp van high-throughput kweekmethoden en MALDI-TOF massaspectrometrie taxonomische identificatie4,5. Kortom, met deze aanpak worden de monsters verdeeld en verwerkt in verschillende kweekmedia en onder verschillende omstandigheden van temperatuur, druk of andere abiotische factoren geïncubeerd om de kans op het isoleren van bacteriën uit complexe monsters te vergroten5. Over het algemeen maken op omics gebaseerde methoden en culturomics het mogelijk om de informatie over de abiotische en biotische factoren die bacteriën nodig hebben, te verkrijgen om hun oorspronkelijke ecosystemen in laboratoriumomstandigheden na te bootsen.
In deze methodencollectie worden bijdragen gepresenteerd van verschillende onderzoeksgroepen uit verschillende landen die berichten over de vooruitgang van microbiologisch ecologisch onderzoek met betrekking tot op omics gebaseerde methoden en culturomics. Onderzoeken over het gebruik van metataxonomie (ook bekend als metabarcoding) zijn fundamenteel voor het monitoren van complexe omgevingen en voor het samenstellen van cultiveerbare en niet-cultiveerbare microbiële profielen in diverse ecologische niches. Yarimizu et al.6 bieden een robuuste methodologie om algenbloei in mariene ecosystemen te evalueren en behandelen een belangrijke kwestie in de microbiële ecologie door een adequaat monster te beschrijven en een strategie voor gegevensanalyse om de studies reproduceerbaar te maken. Door microscopie en fysisch-chemische technieken te combineren, valideren de auteurs een methode om zeewatermonsters te screenen om potentiële algensoorten te detecteren die betrokken zijn bij economische verliezen in de aquacultuur van commerciële visproducten.
Een andere fundamentele zorg in de ecologie is de compartimentalisering van microben (d.w.z. hun samenstellingsdistributie). Pioli et al.7 presenteren een microfluïdische platform dat geometrisch is gebouwd op basis van een polymeer matrix polydimethylsiloxaan (PDMS) om bacteriën te vangen, waarbij Escherichia coli als voorbeeld wordt gebruikt. De auteurs laten zien dat de ruimtelijke dynamica in gecontroleerde omstandigheden helpt bij het begrijpen van microbiële interacties en de fysiologie van een enkel micro-organisme. Bovendien laten Masters-Clark et al.8 ook de toepassing zien van een microfluïdische platform op basis van PDMS om schimmel-schimmel en schimmel-bacteriële interacties in een gecontroleerde omgeving te bestuderen. De belangrijkste verschillen tussen de protocollen liggen in het ontwerp van de kanalen om de micro-organismen te accommoderen, waarbij moet worden overwogen dat om de grondgeometrie te reproduceren en extreme schimmelgroei in de matrix te voorkomen, de kanalen zorgvuldig moeten worden geëvalueerd in het protocol van Master-Clark et al.6, terwijl in het protocol van Pioli et al.5 het gebruik van colloïdaal patroon wordt voorgesteld om complexe multimateriaalpatronen in het microfluïdische matrixontwerp te kalibreren en te genereren. Deze studies bieden elegante protocollen om experimenten te ontwerpen om de effectieve en fundamentele ecologische niches te modelleren, wat de levensvatbaarheid van een organisme in contact met andere organismen in reële situaties en het biotische potentieel van een organisme onder ideale omstandigheden om te groeien betekent9.
Een andere manier om de microbiële functies van microbiomen te karakteriseren en om microbiële complexen in laboratoriumomstandigheden na te bootsen, is door de ontwikkeling van synthetische matrices. In dit verband stellen Vieira et al.10 een nieuwe methode voor om de sputum van patiënten met cystische fibrose te simuleren, met als doel de effecten van oxygenatie op de microbiële samenstelling en klinische resultaten van de getroffen patiënten te voorspellen.
Ten slotte toont het artikel van Berni et al.15 aan dat de toepassing van toegewijde beeldverwerkingssoftware met specifieke scripts nuttig kan zijn om interacties tussen bacteriële en eukaryotische cellen te