Quelle: Christopher P. Corbo¹, Jonathan F. Blaize¹, Elizabeth Suter^1
1 Department of Biological Sciences, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301

Prokaryotische Zellen sind in der Lage, fast jede Umgebung auf diesem Planeten zu bewohnen. Als Königreich besitzen sie eine große metabolische Vielfalt, die es ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Molekülen für die Energieerzeugung zu verwenden (1). Daher müssen bei der Kultivierung dieser Organismen im Labor alle notwendigen und spezifischen Moleküle, die zur Energiegewinnung erforderlich sind, in den Wachstumsmedien bereitgestellt werden. Während einige Organismen metabolisch vielfältig sind, sind andere in der Lage, in extremen Umgebungen wie hohen oder niedrigen Temperaturen, alkalischen und sauren pH-Werten, reduzierten oder sauerstoffarmen Umgebungen oder Umgebungen mit hohem Salzgehalt (2,3,4) zu überleben. Diese Organismen, die als "Extremophile" bezeichnet werden, erfordern oft, dass sich diese intensiven Umgebungen ausbreiten. Wenn Wissenschaftler versuchen, solche Organismen zu züchten, müssen die Medienkomponenten sowie spezifische Umweltbedingungen berücksichtigt werden, um die Voninteresseer erfolgreich zu kultivieren.

Wissenschaftler sind in der Lage, kultivierbare Organismen im Labor anzubauen, weil sie die spezifischen Anforderungen verstehen, die diese Arten brauchen, um zu wachsen. Kultikörnbare Organismen machen jedoch weniger als 1 % der Arten aus, die sich schätzungsweise auf dem Planeten befinden (5). Organismen, die wir durch Gensequenzierung nachgewiesen haben, aber nicht im Labor wachsen können, gelten als unkultibilierbar (6). Zu diesem Zeitpunkt wissen wir nicht genug über den Stoffwechsel und die Wachstumsbedingungen dieser Organismen, um ihre Umgebung im Labor zu replizieren.

Schnelle Organismen liegen irgendwo zwischen den beiden ehemaligen. Diese Organismen sind kultivierbar, erfordern aber sehr spezifische Wachstumsbedingungen, wie z. B. spezifische Wachstumsmedienkomponenten und/oder spezifische Wachstumsbedingungen. Zwei Beispiele für solche Gattungen sind Neisseria sp. und Haemophilus sp., die beide teilweise abgebaute rote Blutkörperchen (auch als Schokoladenagar bekannt) sowie spezifische Wachstumsfaktoren und ein an Kohlendioxid reiches Umfeld erfordern (7). Ohne alle erforderlichen spezifischen Komponenten werden diese Organismen überhaupt nicht wachsen. Oft, selbst mit all ihren Anforderungen, wachsen diese Organismen schlecht.

Im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen, die nur in einer aeroben oder sauerstoffhaltigen Umgebung wachsen können, sind prokaryotische Zellen in der Lage, anaerob mit mehreren Fermentationswegen zu wachsen, um reichlich Energie zu erzeugen (8). Andere Prokaryoten bevorzugen eine mikroaerophile oder reduzierte Sauerstoffumgebung oder sogar eine kapnophile oder hohe Kohlendioxidumgebung (9). Diese Organismen sind schwieriger zu bereichern, da die Atmosphäre verändert werden muss. Wissenschaftler, die häufig mit Organismen arbeiten, die empfindlich auf eine sauerstoffhaltige Umgebung reagieren, würden normalerweise in einer anaeroben Kammer und einem Inkubator arbeiten, wo ein schweres, inertes Gas wie Argon eingepumpt wird, um den Sauerstoff zu verdrängen (10). Andere nutzen konventionell verfügbare versiegelte Gaspaketsysteme, die Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlendioxid verwenden, zusammen mit einem Katalysator wie Palladium, um den gesamten Luftsauerstoff zu entfernen. Diese kommerziell erhältlichen Kits können eine der oben genannten atmosphärischen Bedingungen schaffen (10).

Ob die Kultivierung eines Krankheitserregers zur Bestimmung einer potenziellen Infektion oder die Suche nach einer bestimmten Bakterienart in einer natürlichen Umgebung, ein Problem besteht. Keine bakterienart bewohnt einen Lebensraum. Bakterien leben als mehrzellige Gemeinschaften überall von der Haut des Menschen bis zu den Ozeanen unseres Planeten (11). Bei dem Versuch, eine Bakterienart zu isolieren, müssen Wissenschaftler daran arbeiten, die zahlreichen anderen Organismen auszuschließen, die ebenfalls das isolierte Gebiet bewohnen. Aus diesem Grund erfüllen angereicherte Wachstumsmedien für Bakterien oft zwei Funktionen. Die erste besteht darin, die Medien selektiv zu machen. Ein selektiver Wirkstoff verhindert das Wachstum einiger Arten, hemmt aber nicht und fördert oft sogar andere zum Wachsen (12). Die zweite Funktion der Medienbestandteile kann sein, als Differentialmittel zu arbeiten. Solche Wirkstoffe ermöglichen die Identifizierung eines bestimmten biochemischen Merkmals eines isolierten Organismus. Durch die Kombination mehrerer verschiedener selektiver und differentialer Medien mit geeigneten Wachstumsbedingungen sind Wissenschaftler und Diagnostiker in der Lage, das Vorhandensein bestimmter Bakterienarten aus einem bestimmten Isolat zu identifizieren.

Ein Beispiel für ein selektives und differenziertes Medium, das bei der Identifizierung hilft, ist im Falle des klinisch signifikanten Organismus Staphylococcus aureus. Dieser Organismus ist in der Regel auf Mannitol Salz Agar kultiviert. Dieses Medium wählt nicht nur für Organismen, die in einer hohen Salzumgebung leben können, die einige Gramm-Positive wie Staphylokokkenenthalten, sondern hemmt auch alle Salzempfindlichen Organismen. Der Mannitolzucker ist die Differentialkomponente dieses Mediums. Von allen klinisch signifikanten Staphylococcus-Arten ist nur S. aureus in der Lage, Mannitol zu fermentieren. Diese Fermentationsreaktion erzeugt Säure als Nebenprodukt, wodurch der rote Methylrotindikator in den Medien gelb wird. Andere Staphylococcus-Arten (wie Staphylococcus epidermidis) können zwar wachsen, lassen die Medien zwar rot.

Diese Laborübung zeigt die richtige aseptische Technik, sowie die richtige Impfung von Wachstumsmedien aus Brühe. Es führt auch das Wachstum von gewöhnlichen Schadstoffen auf Anreicherungsmedien, die Verwendung eines Gaspakets anaerobe Kultursystem für anaerobe Bakterien, und die Verwendung von verschiedenen selektiven und differentialen Medien für die mutmaßliche Identifizierung von Gram positiven und gramnegativen Bakterien.