Εάν μπορούμε να αναπτύξουμε βακτήρια σε ένα εργαστήριο, γιατί γνωρίζουμε μόνο το 1% από αυτά;

Αν έχουμε φτάσει στο σημείο να μπορούμε να αναπτύξουμε βακτήρια, γιατί δεν έχουμε ανακαλύψει περισσότερα είδη; Αυτό είναι γνωστό ως η ανωμαλία του μεγάλου αριθμού πλακών.

Τα βακτήρια είναι παντού. Βρίσκονται πάνω και μέσα στο σώμα μας, υπάρχουν εκατομμύρια από αυτά που ζουν στο χώμα κάτω από τα πόδια μας, κολυμπούν στους ωκεανούς και επιπλέουν στον αέρα.

Όντας και ευλογία και όλεθρος, οι επιστήμονες προσπαθούν να τα μελετήσουν εδώ και αιώνες. Το πρόβλημα είναι ότι είναι άπιαστα μικρά buggers. Ένα βακτήριο μπορεί να είναι αόρατο, αλλά οι επιστήμονες πρέπει να το μελετήσουν αναπτύσσοντας πολλά μαζί, σχηματίζοντας αποικίες. Σε διακόσια χρόνια μικροβιολογίας, έχουμε αναπτύξει 30.000 είδη βακτηρίων, αλλά αυτό είναι μόνο το 1% όλων όσων πιστεύουμε ότι υπάρχουν.

Αν μπορούμε να τα καλλιεργήσουμε, γιατί δεν έχουμε ανακαλύψει περισσότερα είδη; Αυτό το παράδοξο είναι γνωστό ως η ανωμαλία του αριθμού των μεγάλων πιάτων.

Μια ματιά στο παρελθόν

Στην εποχή της πανδημίας, όπου πλένουμε τα χέρια μας κάθε φορά που βγαίνουμε έξω, φαίνεται ανεξιχνίαστο για τους γιατρούς να περνούν από τη διενέργεια αυτοψίας στη βοήθεια του τοκετού χωρίς να κάνουν μια παύση για να απολυμάνουν. Ακόμη και πριν από 280 χρόνια, όμως, γνωρίζαμε πολύ λίγα για τις ασθένειες και τον τρόπο εξάπλωσής τους.

Η κατανόησή μας για τα βακτήρια προήλθε από ασθένειες. Μερικοί επιστήμονες το 1800 πίστευαν ότι ο «κακός αέρας», γνωστός ως μίασμα, προκαλούσε ασθένειες όπως η χολέρα. Άλλοι, ιδιαίτερα οι Έλληνες και οι Ρωμαίοι, κατηγόρησαν την ανισορροπία στο «χιούμορ» ενός ατόμου. Προσθέστε σε αυτό τα δηλητήρια σε τρόφιμα που προκαλούσαν ασθένειες, κατά των οποίων το αντίδοτο ήταν άλλο τρόφιμα!

Ένας πίνακας με γκουάς του μικροβιολόγου Robert Koch στον πάγκο εργασίας του (Photo Credit :Wellcome Collection/Creative Commons)

Η επανάσταση της μικροβιολογίας ήρθε με τον Robert Koch και τον Louis Pasteur. Ο Λουί Παστέρ υποστήριξε περίφημα τη «θεωρία των μικροβίων» - τη θεωρία ότι τα αόρατα μικροσκοπικά μικρόβια ήταν η αιτία των ασθενειών - τη δεκαετία του 1860, πενήντα χρόνια μετά την πρόταση της θεωρίας του μιάσματος.

Ο Robert Koch ήταν ο πρώτος άνθρωπος που ανάπτυξε βακτήρια σε εργαστήριο.

Τα βακτήρια μπορούν να οραματιστούν μόνο όταν αναπτύσσονται μεμονωμένα σε ένα πιάτο. Τα πιάτα είναι ένα μέσο με τροφή για την ανάπτυξη βακτηρίων. Όταν σχηματίζονται σβώλοι ενός τύπου βακτηρίων, γνωστών ως αποικίες, ο χαρακτηρισμός ενός τύπου βακτηρίων γίνεται πολύ πιο εύκολος και τα βακτήρια γίνονται ορατά με γυμνό μάτι. Η εκδοχή ενός πιάτου του Koch ήταν ένα μικρό γυάλινο πιάτο, γεμάτο με διάλυμα ζελατίνης που θα στερεοποιούνταν και θα σχημάτιζε ένα στρώμα στο οποίο τα βακτήρια θα μπορούσαν να αναπτυχθούν και να τραφούν. Τα βακτήρια υπάρχουν ακόμη και στον αέρα, επομένως για να προστατεύσει τα πιάτα του από μόλυνση, ο Koch θα κάλυπτε τα γυάλινα πιάτα γεμάτα ζελατίνη με ανεστραμμένα βάζα καμπάνας.

Το βάζο και το πιάτο της τεχνικής βακτηριακής ανάπτυξης του Koch (Photo Credit :Creative Commons &Shutterstock)

Αυτή η μέθοδος δεν ήταν αλάνθαστη. Η ζελατίνη ήταν χρήσιμη, αλλά χαλούσε εύκολα και ήταν επιρρεπής σε αποχρωματισμό. Τα βάζα καμπάνας είναι βαριά και δύσκολα διαπραγματεύσιμα. Η αφαίρεσή τους πήρε χρόνο, επιτρέποντας την εμφάνιση μόλυνσης.

Εμπνευσμένος από το έργο του Κοχ, ένας νεαρός ερευνητής στο εργαστήριο του Κοχ ονόματι Τζούλιους Ρίτσαρντ Πέτρι καινοτόμησε την πλάκα Petri. Ο Petri σκέφτηκε να καλύψει το ένα πιάτο με ένα άλλο, λίγο μεγαλύτερο, εφεύροντας έτσι το πιάτο Petri.

Η ελαφριά ανεστραμμένη πλάκα μετακινήθηκε πολύ πιο εύκολα από το βάζο καμπάνας, επιτρέποντας την εκτέλεση της εργασίας πολύ πιο γρήγορα και αποτρέποντας την τόση μόλυνση. Αυτό το κομψό και απλό σχέδιο δεν άλλαξε για τα επόμενα εκατό χρόνια. Ακόμη και τώρα, οι πλάκες του Julius Petri είναι οι ίδιες, αν και τώρα χρησιμοποιούνται ελαφριά ακρυλικά πλαστικά, τα οποία επιτρέπουν στους μικροβιολόγους να στοιβάζουν και να μεταφέρουν δεκάδες από αυτά ταυτόχρονα.

Ο Koch και τα βακτηριακά του σκίτσα (Photo Credit :Creative Commons)

Το πρόβλημα της ζελατίνης έλυσε η Fanny Hesse, η σύζυγος ενός από τους εργαζόμενους στο εργαστήριο του Koch. Πρότεινε τη χρήση άγαρ, που ήταν πιο γνωστό εκείνη την εποχή ως Chinagrass. Τα χρησιμοποιούσε σε μαρμελάδες και ζελέ, και παρατήρησε ότι δεν αποχρωματίστηκαν. Το άγαρ θα μπορούσε επίσης να θερμανθεί σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία από τη ζελατίνη χωρίς να χάσει τις ιδιότητές του.

Με το άγαρ και την πλάκα petri, ο κόσμος της μικροβιολογίας έφερε επανάσταση. Έτσι, γεννήθηκε η σύγχρονη μέθοδος βακτηριακής επιμετάλλωσης.

Λοιπόν, ποιο είναι το πρόβλημα;

Τα βακτήρια είναι ειδικοί. Εκατοντάδες είδη έχουν προσαρμοστεί σε εκατοντάδες συγκεκριμένες συνθήκες. Είναι εύκολο να αναπτυχθεί ένα βακτήριο που αγαπά το άγαρ και τη θερμοκρασία δωματίου. αυτά τα είδη μπορούν να μολύνουν και να δυσκολεύουν την καλλιέργεια οτιδήποτε άλλου.

Τι γίνεται όμως με τα βακτήρια που ζουν σε πιο εξωτικές συνθήκες; Τι γίνεται με τα βακτήρια σε υδροθερμικές οπές βαθέων υδάτων ή εκείνα στις βαθιές εσοχές του παχέος εντέρου σας; Πώς θα μιμούσατε αυτές τις συνθήκες στο εργαστήριο;

Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι ο αποκλεισμός άλλων βακτηρίων. Εάν θέλετε να αναπτύξετε βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά, όπως MR Staphylococcus aureus, θα έβαζες ένα μέσο με αυτό το αντιβιοτικό, αφού σκότωνες όλα τα άλλα βακτήρια. Για ένα βακτήριο που χρησιμοποιεί αποκλειστικά άζωτο ως καύσιμο, μπορείτε να το αναπτύξετε σε περιβάλλον χωρίς άζωτο. Τα βακτήρια που δεν χρησιμοποιούν άζωτο δεν θα επιβιώσουν.

Άλλα βακτήρια είναι γνωστά ως υποχρεωτικά συμβιώματα. Σκεφτείτε τα βακτήρια του εντέρου μας. απαιτούν τον βιότοπο των εντέρων μας για να ανθίσει. Η απλή αφαίρεση και η ανάπτυξή τους συχνά δεν λειτουργεί. Αυτό ισχύει για όλα τα βακτήρια, τα οποία απαιτούν απολύτως τον οργανισμό με τον οποίο συνδέονται συμβιωτικά.

Όλες αυτές οι τεχνικές προϋποθέτουν ότι τα βακτήρια που θέλετε να μελετήσετε μπορούν να αναπτυχθούν σε πιάτα αρχικά, αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια. Υπάρχουν χιλιάδες είδη βακτηρίων που δεν έχουν αναπτυχθεί και δεν μπορούν να αναπτυχθούν και να απομονωθούν σε πλάκες άγαρ. Αυτή είναι η γνωστή ως ανωμαλία του αριθμού των μεγάλων πλακών, η διαφορά μεταξύ του πόσα βακτήρια γνωρίζουμε ότι υπάρχουν και πόσα μπορούμε πραγματικά να αναπτύξουμε.

Γνωρίζουμε ότι η ανωμαλία του μεγάλου αριθμού πλακών υπάρχει επειδή υπάρχουν πολύ περισσότερα βακτήρια που μπορούν να παρατηρηθούν στο μικροσκόπιο από όσα μπορούν να αναπτυχθούν σε πλάκες.

Η ανωμαλία του αριθμού των πλακών είναι πονοκέφαλος για τους μικροβιολόγους, επειδή η επιμετάλλωση είναι το άλογο εργασίας του μικροβιολόγου. Επιτρέπει σε κάποιον να εκθέσει τα ίδια βακτήρια σε δύο διαφορετικές θεραπείες για να δει τι συμβαίνει, όπως η δοκιμή της αποτελεσματικότητας ενός αντιβιοτικού σε ένα συγκεκριμένο βακτήριο. Η ανάπτυξη νεότερων βακτηρίων είναι επίσης το κλειδί για την ανακάλυψη αντιβιοτικών, στον αγώνα ενάντια στην αύξηση της αντοχής στα αντιβιοτικά. Η επίστρωση είναι επίσης ένα βασικό βήμα για να μπορέσουμε να απομονώσουμε το DNA από ένα βακτήριο. Χωρίς DNA, δεν μπορούμε να καταλάβουμε πώς σχετίζονται τα διαφορετικά βακτήρια ή να εντοπίσουμε την εξελικτική προέλευση όλης της ζωής στη Γη.

Τι ακολουθεί;

Παρά τις πρόσφατες εξελίξεις στις μικροβιολογικές τεχνικές, παραμένει ένα νέο πεδίο. Καθώς ανακαλύπτουμε όλο και περισσότερα για αυτό, μπορούμε να το κατανοήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες.

Νέες τεχνικές επιμετάλλωσης και δημιουργικοί τρόποι μίμησης των βασικών περιβαλλόντων ενός διαφορετικού προφίλ βακτηρίων θα μας επιτρέψουν να αναπτύξουμε μεγαλύτερη ποικιλία από αυτά στα εργαστήριά μας. Οι Semelweiss, Koch, Petri και Fanny Hesse αυτής της γενιάς καινοτομούν, μαθαίνουν και οδηγούν τις δικές τους ήσυχες επαναστάσεις. Με αυτές τις ενδεχόμενες καινοτομίες, μπορούμε να ανακαλύψουμε νέα αντιβιοτικά, να μάθουμε περισσότερα για τη ζωή σε μικροσκοπική κλίμακα και ίσως ακόμη και να αναγνωρίσουμε τον πρώτο οργανισμό που υπήρξε ποτέ!