$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Obecne zrozumienie roli mikroorganizmów w przyrodzie, zdrowiu i chorobie nadal opiera się głównie na badaniach z czystymi kulturami. Jednak ten obszar badań jest znacznie bardziej złożony, ponieważ większość bakterii nie nadaje się do hodowli w warunkach laboratoryjnych, co prowadzi nas do filozoficznego pytania, jak odkryć funkcje mikrobiologiczne, jeśli nie znamy nawet wymagań dotyczących wzrostu dużej części naturalnie występującej mikrobioty. Odzysk mikroorganizmów ze złożonych środowisk (tj. gleby, plwociny, matryc pokarmowych) w dużej mierze zależy od znajomości czynników abiotycznych, takich jak wilgotność, aktywność wody, pH, zasolenie, skład atmosfery, temperatura i źródła składników odżywczych 1,2. Co więcej, w złożonych matrycach kluczowe znaczenie mają również interakcje mikrobiologiczne (tj. konkurencja, antagonizm). W związku z tym najbardziej solidne modele do badań ekologii drobnoustrojów powinny uwzględniać zarówno czynniki abiotyczne, jak i biotyczne, aby lepiej naśladować społeczności autochtoniczne.
Postęp technologii opartych na omice, takich jak metataksonomia, metagenomika, metatranskryptomika, metametabolomika i sekwencjonowanie genów jednokomórkowych społeczności drobnoustrojów, zapewnił bardziej dogłębny opis metabolicznych i taksonomicznych cech ekosystemów drobnoustrojów, generując dane na temat mikrobioty hodowlanej i niehodowlanej 1,3. Poza tym te nowatorskie techniki rzucają również światło na złożone relacje między mikroorganizmami z mikrobiomów żywnościowych, ludzkich, zwierzęcych, glebowych i roślinnych. Równolegle, innym interesującym paradygmatem w ekologii mikroorganizmów jest kulturomika, termin wprowadzony przez Lagiera i wsp.4, który reprezentuje odzyskiwanie wcześniej pomijanych gatunków bakterii z ludzkiego jelita przy użyciu wysokoprzepustowych metod hodowli i identyfikacji taksonomicznej spektrometrii mas MALDI-TOF 4,5. Zasadniczo, przy tym podejściu, próbki są dzielone i przetwarzane na różne podłoża hodowlane i inkubowane w różnych warunkach temperatury, ciśnienia lub innych czynników abiotycznych w celu zwiększenia prawdopodobieństwa wyizolowania bakterii ze złożonych próbek5. Ogólnie rzecz biorąc, metody i kulturomika oparte na omice pozwalają na dostęp do informacji na temat czynników abiotycznych i biotycznych potrzebnych bakteriom, aby naśladować ich pierwotne ekosystemy w warunkach laboratoryjnych.
W tym zbiorze metod przedstawiono prace różnych grup badawczych z różnych krajów, które informują o postępach w badaniach ekologii drobnoustrojów związanych z metodami opartymi na omice i kulturomice. Badania nad zastosowaniem metataksonomii (znanej również jako metabarcoding) mają zasadnicze znaczenie dla monitorowania złożonych środowisk i tworzenia profili mikrobiologicznych nadających się do hodowli i niekulturowych w różnych niszach ekologicznych. Yarimizu i wsp.6 zapewniają solidną metodologię oceny zakwitów glonów w ekosystemach morskich i zajmują się ważną kwestią w ekologii mikrobiologicznej, opisując odpowiednie pobieranie próbek i strategię analizy danych, aby badania były powtarzalne. Łącząc mikroskopię i techniki fizykochemiczne, autorzy testują metodę badania próbek wody morskiej w celu wykrycia potencjalnych gatunków glonów zaangażowanych w straty ekonomiczne w akwakulturze komercyjnych produktów rybnych.
Innym fundamentalnym problemem w ekologii jest podział mikroorganizmów na przedziały (tj. ich rozmieszczenie zbiorowiskowe). Pioli i wsp.7 prezentują platformę mikroprzepływową geometrycznie zbudowaną na podstawie polimerowej matrycy polidimetylosiloksanu (PDMS) do wychwytywania bakterii, na przykładzie Escherichia coli. Autorzy wykazują, że dynamika przestrzenna w kontrolowanych warunkach pomaga w zrozumieniu interakcji mikrobiologicznych i fizjologii pojedynczych mikroorganizmów. Poza tym Masters-Clark i wsp.8 pokazują również zastosowanie platformy mikroprzepływowej opartej na PDMS do badania interakcji grzyb-grzyb i grzyb-bakteria w kontrolowanym środowisku. Główne różnice między protokołami polegają na konstrukcji kanałów w celu zakwaterowania mikroorganizmów, biorąc pod uwagę, że aby odtworzyć geometrię gleby i uniknąć ekstremalnego wzrostu grzybów w matrycy, kanały muszą być dokładnie ocenione w protokole Mastera-Clarka i wsp.6 , podczas gdy w protokole Pioli i wsp.5proponuje się zastosowanie wzorców koloidalnych do kalibracji i generowania złożonych wzorów wielomateriałowych w projekcie matrycy mikroprzepływowej. Badania te dostarczają eleganckich protokołów do inżynierii eksperymentów w celu modelowania efektywnych i podstawowych nisz ekologicznych, które oznaczają żywotność organizmu w kontakcie z innymi organizmami w rzeczywistych sytuacjach życiowych oraz potencjał biotyczny organizmu w idealnych warunkach do wzrostu, odpowiednio9.
Innym sposobem scharakteryzowania funkcji mikrobiologicznych mikrobiomów, a także naśladowania kompleksów mikrobiologicznych w warunkach laboratoryjnych, jest opracowanie matryc syntetycznych. W tym kontekście Vieira i wsp.10 proponują nowatorską metodę symulacji plwociny pacjentów z mukowiscydozą, mającą na celu przewidzenie wpływu natlenienia na skład mikrobiologiczny i wyniki kliniczne pacjentów dotkniętych chorobą.
Wreszcie, praca Berni i wsp.15 pokazuje, że zastosowanie dedykowanego oprogramowania do przetwarzania obrazów ze specyficznymi skryptami może być przydatne do oceny interakcji bakteryjnych i eukariotycznych między komórkami 11,12,13,14. Autorzy ci opisują protokół oparty na szczepie Salmonella przenoszącym fluorescencyjny plazmid reporterowy w celu opisania patogennego zachowania bakterii w kontakcie z komórkami nabłonkowymi oraz pokazania, w jaki sposób gromadzi się on i hiperreplikuje w środowisku cytozolowym.
Jako redaktorzy gościnni cieszymy się, że w tej kolekcji podzieliliśmy się bardzo udanymi protokołami do badania obecnych paradygmatów i potrzeb ekologii mikroorganizmów, przypominając nam, że jedna metoda nie wystarczy, aby uzyskać dostęp do wielu informacji w świecie mikrobiologicznym i że konieczne jest użycie jak największej liczby protokołów, aby odpowiedzieć na pytania ekologiczne.