Пищевая промышленность

Культивирование бактерий в пищевой промышленности

Бактерии являются неотъемлемой частью экосистемы. Они имеют решающее значение для нашего здоровья и окружающей среды, играют важную роль в производстве продуктов питания и предоставляют биоинженерам инструменты для использования их свойств и производства соединений. Однако они также могут быть вредными, вызывая повреждения и болезни. Таким образом, способность выращивать эти микробы является важным шагом в способности использовать их силу, выявлять вредных виновников и продвигать наше понимание и возможности. В этой статье мы рассмотрим, что такое бактериальная культура, факторы, влияющие на условия культивирования, общие проблемы и некоторые из многочисленных применений.

 

Что такое бактериальная культура?

Бактериальная культура - это метод, который позволяет размножать бактериальные клетки в культуральной среде или на ней в контролируемых лабораторных условиях. Точные условия, необходимые для оптимальной репликации, будут зависеть от целевого вида бактерий.

 

В чем разница между аэробной культурой и анаэробной культурой?

Большинство бактерий могут расти в некоторой степени в присутствии кислорода, известного как аэробная культура. Но для оптимального роста условия должны быть скорректированы в соответствии с целевой бактерией. Виды, обнаруженные в атмосферных условиях, например, на поверхности кожи или в верхних дыхательных путях, обычно хорошо растут в присутствии кислорода. Виды, которые естественным образом встречаются в среде с низким содержанием кислорода, например, в глубоких ранах или абсцессах или в глубоком океане, как правило, лучше всего растут в отсутствие кислородно-анаэробной культуры. Некоторые из них вообще не могут расти в присутствии кислорода, и они называются облигатными анаэробами. Примеры включают Fusobacterium и Bacteroides. Точно так же те, которые не могут расти в отсутствие кислорода, называются облигатными аэробами. Примеры для целей культивирования включают грамотрицательную Pseudomonas aeruginosa и микобактерии туберкулеза, возбудитель туберкулеза. Тем не менее, исследования показывают, что оба могут проводить анаэробное дыхание при определенных обстоятельствах. Бактерии, которые могут расти в аэробных или анеробных условиях, переключаясь с аэробного дыхания на ферментацию или анаэробное дыхание, если кислород отсутствует, называются факультативными анаэробами.

 

Методы культивирования бактерий

Для успешного культивирования бактерии нуждаются в обеспечении питательными веществами в питательной среде. Существует множество различных составов, доступных для удовлетворения различных потребностей в питании видов бактерий. Тип среды, которую вы выберете, будет зависеть от цели культуры. Богатые, питательные или полные среды могут быть полезны при попытке нарастить чистую культуру и привести бактериальные клетки в хорошее состояние. Минимальные среды, с другой стороны, будут поставлять только голые потребности для выживания и могут быть полезны при манипулировании тем, какие пути включены в бактерии.

 

 

Носители также могут быть классифицированы как определенные или неопределенные. Как следует из названий, в определенных средах все ингредиенты известны. Неопределенные среды, как правило, содержат сложные смеси питательных веществ и химических веществ в неизвестных пропорциях, таких как дрожжевой экстракт.

Какая бы среда ни была выбрана, она может быть в жидкой форме в виде культуры бульона, или агар может быть добавлен для установки среды и позволить бактериальным клеткам выращиваться на твердой поверхности.

 

Культурный бульон

Культура в жидких средах, также известная как бульонная культура, дает присутствующим бактериям легкий доступ к доступным питательным веществам по сравнению со статическими бактериальными колониями. Мягкое перемешивание, чтобы бактерии диспергировались через среду во время инкубации, может помочь этому доступу дальше. Жидкие среды также будут разбавлять отходы по мере их образования, распределяя их через культуру. Следовательно, большая масса бактерий может быть получена для эквивалентного объема жидкости в отличие от твердых сред.

Поэтому вы можете использовать бульонные культуры, когда стремитесь нарастить свою культуру, например, при использовании бактерий для производства желаемого соединения, в производстве продуктов питания или для извлечения ДНК или плазмид.

При длительном хранении бактериальных штаммов они могут быть выращены в жидких средах. Затем добавляют глицерин, который предотвратит полное замораживание и последующий лизис бактериальных клеток, позволяя их хранение при -80 ° C. Длительное хранение таким образом сохраняет штаммы, полезные при сборе штаммов в течение длительного периода времени, предотвращает потерю ценных штаммов, а также снижает риск мутаций, которые могут возникнуть при повторном прохождении.

 

Питательный агар

Добавление агара в жидкие среды позволяет устанавливать его в чашки Петри, например, в виде откосов или в пробки. Твердые среды полезны, когда вы хотите выбрать отдельные колонии из смешанной культуры, например, при очистке диагностического образца. Если вы хотите перечислить количество колониеобразующих единиц (КОЕ) в пределах заданного объема жидкого образца, покрытие и инкубация на твердых средах также позволяют это. Прививка на склонах или в колючих культурах также может быть удобным методом транспортировки штаммов из лаборатории в лабораторию без опасности разлива потенциально инфекционных материалов.

 

Селективные и дифференциальные среды

Селективные СМИ8также доступны, которые способствуют или подавляют рост определенных видов, групп видов или штаммов с определенными свойствами. Это может быть основано на способности штамма использовать определенные питательные вещества, производить определенные побочные продукты или устойчивость к определенным антибиотикам. Селекция может быть использована как в бульоне, так и в твердых средах.

Способность штамма расти или нет может быть обозначена изменениями цвета в дифференциальных средах и часто используется для идентификации видов или подтипов бактерий. Например, с помощью тест-полосок аналитического индекса профиля (API) бактерии культивируются с помощью ряда субстратов, производя различные паттерны изменения цвета на основе их метаболизма, что позволяет идентифицировать.

Там, где штаммы гемолитические, рост на агаре крови позволяет оценить тип гемолиза, помогая идентифицировать присутствующие виды.

Добавление антибиотиков в жидкие среды предотвратит рост не резистентных штаммов. Это может быть полезно при культивировании инженерного штамма, в который в качестве маркера был добавлен ген устойчивости к антибиотикам. Поэтому против роста загрязняющих видов или колоний, в которых инженерия была неудачной.

Антибиотики могут быть добавлены в твердые среды во время приготовления, выполняя роль, аналогичную той, что в жидких средах. Альтернативно, диски, наполненные антибиотиками, могут быть помещены на твердую среду, на которую было привито интересующее пятно. Там, где штамм чувствителен к антибиотику, вокруг диска будет видна четкая зона отсутствия роста по мере роста бактериального газона, что позволяет, например, выбрать подходящий антибиотик для лечения инфекции.

Наряду с кислородными условиями и потребностями в питательных веществах, которые уже обсуждались, температура и влажность, при которых различные виды будут расти оптимально, также варьируются, отражая их естественную среду обитания. Виды, обычно встречающиеся глубоко в организме, такие как кишечник или нижние дыхательные пути, вероятно, будут расти лучше всего при температуре тела 37 ° C. И наоборот, виды, обнаруженные, например, в почве, вероятно, потребуют более низких температур. При выполнении генетических манипуляций с бактериями температура может использоваться в качестве переключателя для контроля интеграции чувствительных к температуре плазмид и, следовательно, способствовать желаемому результату.

 

Что такое кривая роста бактерий?

Хотя скорость деления будет варьироваться между видами бактерий, они обычно следуют одной и той же общей схеме роста в культуре бульона. Количество бактериальных клеток в культуре может быть оценено различными способами, включая покрытие и подсчет колоний или путем измерения мутности культуры с помощью УФ-видимой спектроскопии. Когда это строится (обычно на логарифмической шкале) по времени, это известно как кривая роста.

1.Фаза задержки - бактерии приспосабливаются к своим новым условиям роста. Продолжительность этой фазы будет зависеть от того, насколько они похожи на их предыдущие условия и состояние клеток. Бактериям может потребоваться восстановить себя, произвести ферменты и РНК для репликации или синтезировать молекулы, которых не хватает в их окружении.

2. Экспоненциальная или логарифмическая фаза - как только клетки приспосабливаются к своим условиям и имеют молекулы, которые им нужны, деление клеток начинается всерьез. Это следует предсказуемой схеме удвоения, продолжительность которой будет зависеть от того, насколько хорошо условия подходят для видов бактерий. Быстрый рост и, следовательно, крутой склон будут происходить там, где условия близки к оптимальным. Это точка, в которой бактериальные клетки являются самыми здоровыми, и поэтому типично фаза, из которой клетки используются для других экспериментов.
3. Стационарная фаза - питательные вещества истощаются, отходы накапливаются, и пространство может истощаться, замедляя дальнейшее деление, так что количество новых произведенных клеток равно количеству умирающих. Это рассматривается как сглаживание кривой роста. Новые бактериальные клетки претерпевают физиологические изменения в попытке адаптироваться к условиям голодания. Для спорообразующих видов спорообразование также может начаться.
4. Фаза смерти или упадка - Поскольку условия больше не благоприятствуют росту, наблюдается устойчивое ухудшение состояния присутствующих клеток, что приводит к снижению кривой роста. Нежизнеспособные клетки могут по-прежнему вносить свой вклад в измерения мутности, где они используются для оценки количества клеток, сохраняя значения выше, чем количество действительно жизнеспособных клеток. Обычно некоторые клетки всегда остаются жизнеспособными, поскольку они мутируют или входят в спящее состояние, чтобы выжить.

 

Получение чистой культуры

Чистая культура — это культура, которая содержит только те виды бактерий, которые вы хотите вырастить. Легкость, с которой это может быть достигнуто, вероятно, будет во многом зависеть от источника вашего образца, обилия целевых видов по сравнению с другими видами и самого целевого вида. Если вашим источником является другая чистая культура или штамм, который был выделен и сохранен в морозильной камере, то культура может быть уже чистой. Если, однако, источником является клинический или экологический образец, вероятно, будет много других видов бактерий и, возможно, грибов, которые также будут счастливо расти в условиях вашей культуры. Селективные среды и ограниченные условия роста (например, аэробная и анеробная культура) могут помочь устранить нецелевые виды и сузить поле. Перенос образца на твердые среды, а не в бульонную культуру, позволит визуально идентифицировать колонии, представляющие интерес, из общего фона. Возможно, потребуется несколько раз выбрать и повторно проложить интересующие бактериальные колонии на свежих агаровых пластинах, прежде чем можно будет получить чистую культуру. Как только это будет достигнуто, они могут быть выращены в жидкой культуре, если это необходимо. Если целевые виды присутствуют только в небольшом количестве, может потребоваться прорезать несколько пластин из первоначального образца, чтобы изолировать их. Некоторые виды растут быстрее и энергичнее, чем другие, поэтому это тоже фактор, который следует учитывать.

Не всегда может быть необходимо получить чистую культуру в зависимости от цели вашего эксперимента. Если можно идентифицировать целевой вид среди фона других и этого достаточно для вашей цели, то получение чистой культуры может не потребоваться. Однако, если вы хотите, например, выполнить дальнейшие целевые анализы или бактерии культивируются для производственных или пищевых целей, то получение и поддержание чистой культуры может иметь важное значение.

 

Распространенные проблемы с бактериальной культурой

Загрязнение бактериальными культурами может быть очень проблематичным, особенно если оно остается незамеченным. В лучшем случае это может означать необходимость восстановления чистой культуры, но в худшем случае может привести к болезни и очень дорогостоящей восстановительной работе, если это произойдет в условиях питания или производства. Загрязнение культуры может происходить из многих источников, прямо из самого исходного образца в процессе культивирования и даже хранения. Хорошая асептическая техника может помочь избежать загрязнения бактериальных культур.

Чрезмерный рост некоторых видов — некоторые виды бактерий растут легко и энергично. При попытке изолировать вид из смешанной выборки эти энергичные виды могут разрастаться и маскировать присутствие медленно растущих целевых видов. Использование селективных сред и оптимальных условий роста для ваших целевых видов (если они известны) может помочь смягчить это. Постарайтесь культивировать образец как можно скорее после того, как он был взят, чтобы убедиться, что он является как можно более репрезентативным.

Лечение антибиотиками до отбора проб - в диагностических условиях важно знать, проводилось ли лечение антибиотиками до отбора проб. Если это так, отказ от культивирования конкретного вида может не указывать на то, что он не был причиной инфекции.

Неправильные условия роста — использование неподходящих или неоптимальных условий роста может препятствовать или полностью предотвращать рост вашего целевого штамма. Обязательно дважды проверьте требования к росту или, если с помощью выбора антибиотиков убедитесь, что правильный антибиотик был выбран для присутствующего гена резистентности.

Некультивируемые и медленно растущие организмы Некоторые виды бактерий даже сейчас не могут быть выращены в лаборатории.10Другие, такие как микобактерии,11очень медленно растут и могут занять месяцы для успешного культивирования, что особенно проблематично при попытке диагностировать инфекции.

 

Применение бактериальных культур

Есть много причин, по которым может быть необходимо или желательно культивировать бактериальные клетки. В пищевой промышленности бактериальные культуры используются для производства кисломолочных продуктов https://anaxgroup.de/ru/product-categories/biotehnologicheskie-produkty/zakvaski/, а также масла и сыров. Здесь мы рассмотрим также некоторые другие цели.

 

Диагностика инфекции

Несмотря на время, которое может потребоваться для выделения и идентификации видов бактерий из образца, бактериальная культура остается важным диагностическим инструментом.12В то время как ПЦР может быстро идентифицировать присутствие конкретного патогена, изоляция виновника подтвердит, что он жив, предупреждая аналитиков о потенциальных рисках передачи и информируя о лечении. Это также означает, что бактериальный штамм может быть дополнительно опрошен для получения такой информации, как чувствительность к антибиотикам, направляя выбор лечения. Штаммы также могут храниться для будущего использования, например, для целей мониторинга заболеваний.

 

Генетические манипуляции

Может быть желательно манипулировать геномом бактериальных штаммов по ряду причин; пытаясь понять основную биологию, ослабить ее при создании вакцинных штаммов, перепроизводить белки и создать эталонный штамм с обнаруживаемым маркером, чтобы назвать лишь некоторые из них. Будь то мутация, удаление или вставка генетического материала, существует фундаментальная необходимость культивировать интересующий штамм, во время и после процесса генной инженерии.

 

Эпидемиологическое исследование

Культивирование и характеристика бактериальных штаммов может иметь жизненно важное значение для эпидемиологических исследований. Это позволяет ученым изучать, как бактериальные популяции изменяются с течением времени– которые могут информировать терапевтический, вакцинный и диагностический дизайн и обновления – и изучать события передачи, которые, в свою очередь, могут информировать такие вещи, как политика и рекомендации общественного здравоохранения. Проект по эпиднадзору за гонококковыми изолятами (GISP) является одним из таких проектов, который отслеживает штаммы на устойчивость к антибиотикам, помогая информировать рекомендации по лекарственной терапии. Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) также управляют системой активного эпиднадзора за бактериальным ядром (ABC), обеспечивая лабораторный и популяционный надзор за инвазивными бактериальными патогенами, имеющими важное значение для общественного здравоохранения.