$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Современное понимание роли микроорганизмов в природе, в здоровье и в болезнях по-прежнему основано в основном на исследованиях с использованием чистых культур. Однако эта область исследований гораздо более сложна, поскольку большинство бактерий не поддаются культивированию в лабораторных условиях, что приводит нас к философскому вопросу о том, как раскрыть микробные функции, если мы даже не знаем потребности в росте значительной части естественной микробиоты. Восстановление микроорганизмов из сложных сред (т.е. почвы, мокроты, пищевых матриц) в значительной степени зависит от знания таких абиотических факторов, как влажность, активность воды, рН, соленость, состав атмосферы, температура, источники питательных веществ 1,2. Более того, в сложных матрицах ключевое значение имеют и микробные взаимодействия (т.е. конкуренция, антагонизм). Таким образом, наиболее надежные модели для исследований экологии микроорганизмов должны учитывать как абиотические, так и биотические факторы, чтобы лучше имитировать автохтонные сообщества.
Развитие технологий на основе омиксов, таких как метатаксономика, метагеномика, метатранскриптомика, метаболомика и секвенирование генов отдельных клеток микробных сообществ, позволило получить более глубокое описание метаболических и таксономических особенностей микробных экосистем, что позволило получить данные о культивируемой и некультивируемоймикробиоте1,3. Кроме того, эти новые методы также проливают свет на сложные взаимоотношения между микроорганизмами из продуктов питания, человека, животных, почвы и растительных микробиомов. Параллельно с этим еще одной интересной парадигмой в микробной экологии является культуромика, термин, введенный Lagier et al.4, который представляет собой восстановление ранее незамеченных видов бактерий из кишечника человека с использованием высокопроизводительных методов культивирования и таксономическойидентификации масс-спектрометрии MALDI-TOF. По сути, при таком подходе образцы разделяют и обрабатывают в различных питательных средах и инкубируют в различных условиях температуры, давления или других абиотических факторов с целью увеличения вероятности выделения бактерий изсложных образцов. В целом, методы, основанные на омиксах, и культуромика позволяют получить доступ к информации об абиотических и биотических факторах, необходимых бактериям для имитации их исходных экосистем в лабораторных условиях.
В этой коллекции методов представлены материалы различных исследовательских групп из разных стран, сообщающие о продвижении исследований микробной экологии, связанных с методами, основанными на омиксах, и культуромике. Исследования по использованию метатаксономики (также известной как метабаркодирование) имеют основополагающее значение для мониторинга сложных сред и сбора культивируемых и некультивируемых микробных профилей в различных экологических нишах. Yarimizu et al.6 предлагают надежную методологию для оценки цветения водорослей в морских экосистемах и решения важного вопроса микробной экологии путем описания адекватного отбора проб и стратегии анализа данных, чтобы сделать исследования воспроизводимыми. Объединив микроскопию и физико-химические методы, авторы обосновывают метод скрининга образцов морской воды для выявления потенциальных видов водорослей, связанных с экономическими потерями в аквакультуре коммерческих рыбных продуктов.
Еще одной фундаментальной проблемой экологии является компартментализация микробов (т.е. их распределение по сборкам). Pioli et al.7 представляют микрофлюидную платформу, геометрически построенную на основе полимерной матрицы полидиметилсилоксана (PDMS) для улавливания бактерий на примере Escherichia coli. Авторы показывают, что пространственная динамика в контролируемых условиях помогает понять микробные взаимодействия и физиологию одного микроорганизма. Кроме того, Masters-Clark et al.8 также демонстрируют применение платформы микрофлюидики на основе PDMS для изучения грибково-грибковых и грибково-бактериальных взаимодействий в контролируемой среде. Основные различия между протоколами заключаются в конструкции каналов для размещения микроорганизмов, учитывая, что для воспроизведения геометрии почвы и предотвращения чрезмерного роста грибков в матрице каналы должны быть тщательно оценены в протоколе Master-Clark et al.6, в то время как в протоколе Pioli et al.5предлагается использование коллоидного структурирования для калибровки и генерации сложных мультиматериальных шаблонов в микрофлюидной матричной конструкции. Эти исследования предоставляют элегантные протоколы для инженерных экспериментов по моделированию эффективных и фундаментальных экологических ниш, которые означают жизнеспособность организма при контакте с другими организмами в реальных жизненных ситуациях и биотический потенциал организма в идеальных условиях для роста,соответственно.
Еще одним способом охарактеризовать микробные функции микробиомов, а также имитировать микробные комплексы в лабораторных условиях является разработка синтетических матриц. В этом контексте Vieira et al.10 предлагают новый метод моделирования мокроты у пациентов с муковисцидозом, направленный на прогнозирование влияния оксигенации на микробный состав и клинические исходы пациентов.
Наконец, статья Berni et al.15 показывает, что применение специализированного программного обеспечения для обработки изображений со специфическими скриптами может быть полезным для оценки межклеточных взаимодействий бактерий и эукариот 11,12,13,14. Эти авторы описывают протокол, основанный на штамме сальмонеллы, несущем флуоресцентную репортерную плазмиду, для описания бактериального патогенного поведения при контакте с эпителиальными клетками и для демонстрации того, как оно накапливается и гиперреплицируется в цитозольной среде.
В качестве приглашенных редакторов мы рады, что в этой коллекции мы поделились очень успешными протоколами для исследования современных парадигм и потребностей микробной экологии, напоминая нам о том, что одного метода недостаточно для доступа к множеству информации в мире микроорганизмов и что необходимо использовать как можно больше протоколов для ответа на экологические вопросы.