Bogate repozytoria wcześniej niezbadanych mikroorganizmów istnieją w naturalnych środowiskach, takich jak gleba, zbiorniki wodne i ekstremalne środowiska. Wykorzystanie tej ogromnej różnorodności biologicznej mikroorganizmów jest jednak wyzwaniem, ponieważ większości z nich nie można łatwo hodować przy użyciu tradycyjnych pożywek i metod laboratoryjnych. Anomalia wielkiej liczby płytek opisuje to zjawisko, podkreślając niezgodną liczbę mikroorganizmów, które można obserwować wizualnie, w porównaniu z tymi, które obserwuje się w pożywkach hodowlanych1. Ominięcie tej bariery i umożliwienie dostępu do niepowtarzalnej różnorodności mikroorganizmów i ich produktów mogłoby zaspokoić różne potrzeby biotechnologiczne.
Na przykład, rozwój oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe stał się zagrożeniem dla globalnego zdrowia publicznego. Duże korporacje farmaceutyczne niechętnie dążą do odkrywania nowych środków przeciwdrobnoustrojowych, co powoduje, że tempo odkrywania maleje w porównaniu z tempem pojawiania się oporności na istniejące antybiotyki2,3. W związku z tym istnieje pilna potrzeba odkrycia nowych środków przeciwdrobnoustrojowych4. Ponieważ zbiorowiska mikroorganizmów ewoluowały razem równocześnie lub konkurująco5, rozwinęły one potencjał do produkcji nowych związków chemicznych, które zwiększają ich szanse na przeżycie. Ogromna różnorodność mikroorganizmów środowiskowych i ich produktów nie została w pełni zbadana, ponieważ tradycyjne metody oparte na kulturach laboratoryjnych często prowadzą do izolacji podobnych, znanych drobnoustrojów. Dzieje się tak, ponieważ konwencjonalne pożywki i metody hodowlane są ukierunkowane na hodowlę drobnoustrojów istotnych dla człowieka i nie naśladują środowiska naturalnego. Projektowanie pożywek hodowlanych do hodowli mikroorganizmów środowiskowych jest trudne, ponieważ wzrost niektórych gatunków może wymagać różnych składników odżywczych, często wytwarzanych przez inne drobnoustroje w pobliżu, oraz określonych warunków środowiskowych.
Aby rozwiązać ten problem i hodować mikroorganizmy środowiskowe in situ, najpierw stworzono komory dyfuzyjne6. Komora dyfuzyjna to O-ring ze stali nierdzewnej. Przestrzeń w pierścieniu wypełnia się agarem nasiennym odpowiednim rozcieńczeniem próbki. Górna i dolna część pierścienia są następnie uszczelniane membranami poliwęglanowymi, które umożliwiają dyfuzję składników odżywczych i metabolitów pochodzących z gleby, jednocześnie zapobiegając infiltracji innych drobnoustrojów do komory6. Po wysianiu płytkę umieszcza się w środowisku, z którego pobierana jest próbka, aby umożliwić hodowlę in situ. Komora dyfuzyjna była bardzo wydajna i doprowadziła do wyhodowania wielu wcześniej nienadających się do hodowli mikroorganizmów. Jednak konstrukcja O-ringu z agarem stała się pracochłonna i niskoprzepustowa, pozostawiając otwartą przestrzeń problemową dla dalszych innowacji6. Wkrótce potem zaprojektowano chip izolacyjny (iChip), który był zdolny do hodowli in situ i jednoczesnego wysokowydajnego odzyskiwania czystych kultur7. Ten projekt jest koncepcyjnie taki sam jak komora dyfuzyjna, ale składa się z wielu kanałów, z których każdy działa jako niezależna komora dyfuzyjna, umożliwiając potencjalne odzyskanie pojedynczej mikrokolonii z każdej komory8. Ponowne wyobrażenie sobie projektu komory dyfuzyjnej znacznie zwiększyło wydajność technologii i umożliwiło izolację i hodowlę większej różnorodności biologicznej taksonów z gleby, wody morskiej9, hot springs10, itd. Tejksobaktyna, niedawno opisany antybiotyk, została odkryta zgodnie z technologią opisaną powyżej11. Wykazano nowy mechanizm działania przeciwdrobnoustrojowego i stwierdzono, że jest on śmiertelny wobec patogenów powodujących infekcje inwazyjne, co pokazuje, że wysokowydajna izolacja mikroorganizmów z mikrobiologicznej "ciemnej materii" może być skutecznie usprawniona w celu odkrywania biotechnologicznie istotnych produktów naturalnych przy użyciu tej technologii12.
Ten artykuł służy jako przewodnik proceduralny do skutecznego wdrożenia tej wysokoprzepustowej technologii do hodowli in situ i odzyskiwania opornych bakterii wytwarzających środki przeciwdrobnoustrojowe z glebowej mikrobiologicznej "ciemnej materii". Protokół określa projekt chipa izolacyjnego, pobieranie próbek, przygotowanie próbek, wysiew, inkubację i odzysk. Chociaż przedstawiony protokół demonstruje hodowlę in situ mikroorganizmów z gleby, to samo można łatwo zaadaptować do hodowli in situ mikroorganizmów z dowolnego środowiska. Wysoka przepustowość tej technologii może zwiększyć prawdopodobieństwo odkrycia nowych mikroorganizmów i wykorzystania ich potencjału biosyntetycznego do różnych zastosowań biotechnologicznych.