Rijke opslagplaatsen van voorheen onontgonnen microben bestaan in natuurlijke omgevingen zoals bodem, waterlichamen en extreme omgevingen. Het is echter een uitdaging om deze enorme biodiversiteit aan microben aan te boren, omdat de meeste van hen niet gemakkelijk kunnen worden gekweekt met behulp van traditionele laboratoriummedia en -methoden. De anomalie van het grote aantal platen beschrijft dit fenomeen en benadrukt de discordante aantallen micro-organismen die visueel kunnen worden waargenomen versus die waarvan wordt waargenomen dat ze groeien in kweekmedia1. Het omzeilen van deze barrière en het mogelijk maken van toegang tot de niet-kweekbare diversiteit van microben en hun producten zou mogelijk kunnen voorzien in verschillende biotechnologische behoeften.
De ontwikkeling van antimicrobiële resistentie is bijvoorbeeld een bedreiging geworden voor de wereldwijde volksgezondheid. Grote farmaceutische bedrijven zijn terughoudend geweest om de ontdekking van nieuwe antimicrobiële stoffen na te streven, waardoor de snelheid van ontdekking afneemt in vergelijking met de snelheid van opkomst van resistentie tegen bestaande antibiotica 2,3. Er is dus een kritieke behoefte aan de ontdekking van nieuwe antimicrobiële stoffen4. Omdat microbiële gemeenschappen gelijktijdig ofin competitie 5 samen zijn geëvolueerd, hebben ze het potentieel ontwikkeld om nieuwe chemische verbindingen te produceren die hun overlevingskansen vergroten. De enorme diversiteit aan microben in de omgeving en hun producten is nog niet volledig onderzocht, aangezien traditionele methoden op basis van laboratoriumcultuur vaak leiden tot de isolatie van vergelijkbare, bekende microben. Dit komt omdat conventionele kweekmedia en -methoden bevooroordeeld zijn in de richting van het kweken van voor de mens relevante microben en er niet in slagen natuurlijke omgevingen na te bootsen. Het ontwerpen van kweekmedia om microben in de omgeving te kweken is een uitdaging, omdat de groei van sommige soorten verschillende voedingsstoffen kan vereisen, vaak geproduceerd door andere microben in de buurt, en specifieke omgevingsomstandigheden.
Om dit probleem aan te pakken en om microben in situ te kweken, werden eerst diffusiekamers ontwikkeld6. De diffusiekamer is een roestvrijstalen O-ring. De ruimte in de ring wordt gevuld met agar die is gezaaid met een geschikte monsterverdunning. De boven- en onderkant van de ring worden vervolgens afgedicht met membranen van polycarbonaat, die de diffusie van van de bodem afgeleide voedingsstoffen en metabolieten mogelijk maken en tegelijkertijd de infiltratie van andere microben in de kamer voorkomen6. Na het zaaien wordt de plaat in de omgeving geplaatst waaruit het monster wordt verzameld om cultuur in situ mogelijk te maken. De diffusiekamer was zeer efficiënt en resulteerde in de kweek van tal van voorheen niet-kweekbare microben. Het O-ringontwerp met agar werd echter omslachtig en had een lage doorvoer, waardoor er een probleemruimte overbleef voor verdere innovaties6. Kort daarna werd een isolatiechip (iChip) ontworpen, die in staat was om in situ te kweken en tegelijkertijd high-throughput herstel van zuivere culturen te herstellen7. Dit ontwerp is conceptueel hetzelfde als een diffusiekamer, maar bestaat uit meerdere kanalen waarbij elk kanaal fungeert als een onafhankelijke diffusiekamer, waardoor mogelijk herstel van een enkele microkolonie uit elke kamer mogelijk is8. De heruitvinding van het ontwerp van de diffusiekamer verbeterde de doorvoer van de technologie aanzienlijk en maakte de isolatie en cultivering mogelijk van een grotere biodiversiteit van taxa uit bodem, zeewater9, warmwaterbronnen10, enz. Teixobactine, een recent beschreven antibioticum, werd ontdekt met behulp van de hierboven beschreven technologie11. Het vertoonde een nieuw mechanisme van antimicrobiële werking en bleek dodelijk te zijn tegen ziekteverwekkers die invasieve infecties veroorzaken, wat aantoont dat high-throughput isolatie van microben van microbiële "donkere materie" efficiënt kan worden gestroomlijnd voor de ontdekking van biotechnologisch relevante natuurlijke producten met behulp van deze technologie12.
Dit artikel dient als een procedurele gids voor de effectieve implementatie van deze high-throughput-technologie voor in situ teelt en herstel van antimicrobieel producerende recalcitrante bacteriën uit microbiële "donkere materie" in de bodem. Het protocol schetst het ontwerp van een isolatiechip, het verzamelen van monsters, monstervoorbereiding, zaaien, incubatie en herstel. Hoewel het gepresenteerde protocol in situ kweek van microben uit de bodem aantoont, kan hetzelfde gemakkelijk worden aangepast voor in situ kweek van microben uit elke omgeving. De high-throughput-mogelijkheden van deze technologie zouden de kans kunnen vergroten om nieuwe microben te ontdekken en hun biosynthetisch potentieel te benutten voor verschillende biotechnologische toepassingen.