Если мы можем выращивать бактерии в лаборатории, почему мы знаем только об 1% из них?
Если мы дошли до того, что можем выращивать бактерии, почему мы не открыли больше видов? Это известно как аномалия большого количества пластин.
Бактерии есть везде. Они находятся на нашем теле и внутри него, миллионы их живут в почве под нашими ногами, они плавают в океанах и витают в воздухе.
Будучи одновременно благом и бедой, ученые пытались изучить их на протяжении веков. Но проблема в том, что это неуловимые маленькие существа. Одна бактерия может быть невидимой, но ученые должны изучать их, выращивая множество бактерий вместе, образуя колонии. За двести лет развития микробиологии мы вырастили 30 000 видов бактерий, но это лишь 1% от всех, которые, как мы думаем, существуют.
Если мы можем выращивать их, почему мы не открыли больше видов? Этот парадокс известен как аномалия «аномалия большого числа пластин».
Взгляд в прошлое
В эпоху пандемии, когда мы моем руки каждый раз, когда выходим на улицу, для врачей кажется непостижимым перейти от вскрытия к родам, не останавливаясь на дезинфекции. Однако даже совсем недавно, 280 лет назад, мы очень мало знали о болезнях и о том, как они распространяются.
Наше представление о бактериях возникло благодаря болезням. Некоторые ученые в 1800-х годах считали, что «плохой воздух», известный как миазмы, вызывает такие болезни, как холера. Другие, в частности греки и римляне, винили дисбаланс в «гуморах» человека. Добавьте к этому яды в пище, вызывающие болезни, противоядием от которых служили другие продукты!
Революция в микробиологии произошла благодаря Роберту Коху и Луи Пастеру. Луи Пастер стал знаменитым сторонником «теории микробов» — теории, согласно которой причиной болезней являются невидимые крошечные микробы, — в 1860-х годах, через пятьдесят лет после того, как была предложена теория миазмов.
Роберт Кох был первым человеком, который вырастил бактерии в лаборатории.
Бактерии можно визуализировать только при изолированном выращивании на пластине. Пластины — это среда с пищей для роста бактерий. Когда образуются комочки бактерий одного типа, известные как колонии, определить тип бактерий становится намного проще, и бактерии становятся видны невооруженным глазом. В версии Коха пластина представляла собой небольшое стеклянное блюдце, заполненное раствором желатина, который застывал и образовывал слой, на котором бактерии могли расти и питаться. Бактерии присутствуют даже в воздухе, поэтому, чтобы защитить свои пластины от загрязнения, Кох накрывал заполненные желатином стеклянные пластины перевернутыми банками.
Этот метод был далеко не безотказным. Желатин был полезен, но легко портился и был склонен к обесцвечиванию. Банки-колокольчики тяжелы и трудно поддаются перемещению. На их извлечение уходило время, что давало возможность загрязнения.
Вдохновленный работой Коха, молодой исследователь из лаборатории Коха по имени Юлиус Ричард Петри изобрел чашку Петри. Петри придумал накрывать одну пластину другой, немного большей по размеру, и таким образом изобрел чашку Петри.
Легкую перевернутую чашку было гораздо легче перемещать, чем колокольный сосуд, что позволяло выполнять работу гораздо быстрее и предотвращать такое же количество загрязнений. Эта элегантная и простая конструкция не менялась в течение последующих ста лет. Даже сейчас пластины Юлиуса Петри остались прежними, хотя теперь используются легкие акриловые пластики, которые позволяют микробиологам складывать и переносить десятки таких пластин одновременно.
Проблема желатина была решена Фанни Гессе, женой одного из сотрудников лаборатории Коха. Она предложила использовать агар-агар, известный в то время как китайская трава. Она использовала их в джемах и желе и заметила, что они не обесцвечиваются. Агар-агар также можно было нагревать до гораздо более высокой температуры, чем желатин, без потери его свойств.
С появлением агара и пластины Петри в мире микробиологии произошла революция. Так родился современный метод выращивания бактерий.
Так в чем же проблема?
Бактерии — специалисты. Сотни видов приспособились к сотням конкретных условий. Легко вырастить бактерии, которые любят агар и комнатную температуру; эти виды могут загрязнить и затруднить выращивание чего-либо еще.
Но как насчет бактерий, которые живут в более экзотических условиях? Как насчет бактерий, обитающих в глубоководных гидротермальных источниках или в глубоких недрах вашей толстой кишки? Как имитировать эти условия в лаборатории?
Один из способов сделать это — исключить другие бактерии. Если вы хотите вырастить устойчивые к антибиотикам бактерии, такие как Staphylococcus aureus, вы поместите их в среду с этим антибиотиком, предварительно убив все остальные бактерии. Для бактерии, которая использует в качестве топлива только азот, вы можете вырастить ее в среде без азота. Бактерии, не использующие азот, не выживут.
Другие бактерии известны как обязательные симбионты. Вспомните наши кишечные бактерии; для их процветания необходима среда обитания в нашем кишечнике. Просто удалить и вырастить их зачастую не получается. Так обстоит дело со всеми бактериями, которым абсолютно необходим организм, с которым они симбиотически связаны.
Все эти методы предполагают, что бактерии, которые вы хотите изучить, могут расти на пластинах, но это не так. Существуют тысячи видов бактерий, которые не выращивались и не могут быть выращены и выделены на агаровых пластинах. Это то, что известно как аномалия большого количества пластинок — разница между тем, сколько бактерий, как мы знаем, существует, и тем, сколько мы можем вырастить на самом деле.
Мы знаем, что аномалия большого количества пластинок существует, потому что под микроскопом можно наблюдать гораздо больше бактерий, чем можно вырастить на пластинках.
Аномалия количества пластин — головная боль для микробиологов, потому что пластины — это рабочая лошадка микробиолога. Она позволяет подвергнуть одну и ту же бактерию двум различным воздействиям, чтобы посмотреть, что произойдет, например, проверить эффективность антибиотика в отношении конкретной бактерии. Выращивание новых бактерий также является ключом к открытию антибиотиков в борьбе с растущей устойчивостью к антибиотикам. Выращивание — это также ключевой шаг в выделении ДНК из бактерии. Без ДНК мы не сможем понять, как связаны между собой различные бактерии, или проследить эволюционное происхождение всего живого на Земле.
Что будет дальше?
Несмотря на последние достижения в области микробиологических методов, эта область остается новой. По мере того как мы узнаем о ней все больше и больше, мы сможем понять ее более детально.
Новые методы культивирования и творческие способы имитации среды обитания разнообразных бактерий позволят нам выращивать в лабораториях все большее их разнообразие. Земельвейс, Кох, Петри и Фанни Гессе этого поколения внедряют инновации, учатся и ведут свои собственные тихие революции. Благодаря этим возможным инновациям мы сможем открыть новые антибиотики, узнать больше о жизни в микроскопическом масштабе и, возможно, даже определить самый первый организм, который когда-либо существовал!