Методическая статья

Многоцелевой анализ играет важную роль в исследованиях микробной экологии

15 сентября 2022 г.

В этой статье

Аннотация

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Yarimizu, K. et al. Стандартизированная процедура мониторинга вредоносного цветения водорослей в Чили с помощью анализа метабаркодирования. Журнал визуализированных экспериментов. (174), e62967 (2021).

Пиоли, Р., Стокер, Р., Иса, Л., Секки, Э. Структурирование микроорганизмов и микрочастиц с помощью последовательной капиллярной сборки. Журнал визуализированных экспериментов. (177), E63131 (2021).

Мастерс-Кларк, Э., Кларк, А. Дж., Стэнли, К. Э. Микрофлюидные инструменты для исследования грибково-микробных взаимодействий на клеточном уровне. Журнал визуализированных экспериментов. (184), e63917 (2022).

Vieira, J. et al. Проектирование и разработка модели для изучения влияния дополнительного кислорода на микробиом дыхательных путей при муковисцидозе. Журнал визуализированных экспериментов. (174), E62888 (2021).

Berni, M., Pongolini, S., Tambassi, M. Автоматизированный анализ внутриклеточных фенотипов сальмонеллы с использованием ImageJ. Журнал визуализированных экспериментов. (186), e64263 (2022).

Редакционная статья

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Раскрытие информации

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O.G.G.A. благодарит FAPESP за стипендии Ph.D. (Процессы # 17/13759-6 и # 18/26719-5). E.C.P.D.M. благодарит за стипендию исследователя от CNPq (PQ-2, Proc.# 306330/2019-9). Данное исследование было частично профинансировано Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Finance Code 001.

Ссылки

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Almeida, O. G. G., De Martinis, E. C. P. Bioinformatics tools to assess metagenomic data for applied microbiology. Applied Microbiology and Biotechnology. 103 (1), 69-82 (2019).
  2. Bottos, E. M., et al. Abiotic factors influence patterns of bacterial diversity and community composition in the Dry Valleys of Antarctica. FEMS Microbiology Ecology. 96 (5), 1-12 (2020).
  3. Sharma, A., Vashistt, J., Shrivastava, R. Next-Generation Omics Technologies to Explore Microbial Diversity. Microbes in Land Use Change Management. Singh, J. S., Tiwari, S., Singh, C., Sing, A. K. , Elsevier Science. (2021).
  4. Lagier, J. C., et al. Microbial culturomics: Paradigm shift in the human gut microbiome study. Clinical Microbiology and Infection. 18 (12), 1185-1193 (2012).
  5. Lagier, J. C., et al. Culturing the human microbiota and culturomics. Nature Reviews Microbiology. 16 (9), 540-550 (2018).
  6. Yarimizu, K., et al. A standardized procedure for monitoring harmful algal blooms in Chile by metabarcoding analysis. Journal of Visualized Experiments. (174), e62967(2021).
  7. Pioli, R., Stocker, R., Isa, L., Secchi, E. Patterning of microorganisms and microparticles through sequential capillarity-assisted assembly. Journal of Visualized Experiments. (177), e63131(2021).
  8. Masters-Clark, E., Clark, A. J., Stanley, C. E. Microfluidic tools for probing fungal-microbial interactions at the cellular level. Journal of Visualized Experiments. (184), e63917(2022).
  9. Peterson, A. T., Soberón, J. Integrating fundamental concepts of ecology, biogeography, and sampling into effective ecological niche modeling and species distribution modeling. Plant Biosystems. 146 (4), 789-796 (2012).
  10. Vieira, J., et al. Design and development of a model to study the effect of supplemental oxygen on the cystic fibrosis airway microbiome. Journal of Visualized Experiments. (174), e62888(2021).
  11. Sansonetti, P. Host-pathogen interactions: The seduction of molecular cross talk. Gut. 50, Suppl. 3 2-8 (2002).
  12. Garai, P., Gnanadhas, D. P., Chakravortty, D. Salmonella enterica serovars Typhimurium and Typhi as model organisms: Revealing paradigm of host-pathogen interactions. Virulence. 3 (4), 377-388 (2012).
  13. Braga, R. M., Dourado, M. N., Araújo, W. L. Microbial interactions: Ecology in a molecular perspective. Brazilian Journal of Microbiology. 47, Suppl. 1 86-98 (2016).
  14. Mondino, S., Schmidt, S., Buchrieser, C. Molecular mimicry: A paradigm of host-microbe coevolution illustrated by Legionella. mBio. 11, 01201-01220 (2020).
  15. Berni, M., Pongolini, S., Tambassi, M. Automated analysis of intracellular phenotypes of Salmonella using ImageJ. Journal of Visualized Experiments. (186), e64263(2022).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Harmful Algal BloomsMetabarcoding AnalysisMicroorganismsMicroparticlesCapillarity assisted AssemblyMicrofluidic ToolsFungal microbial InteractionsCystic Fibrosis Airway MicrobiomeIntracellular PhenotypesSalmonellaAutomated Analysis

Похожие статьи