Lösung der Herausforderungen in Richtung Hochdurchsatz und Vereinfachung der traditionellen Methoden für die Mikrobiomforschung.
Bevor wir beginnen, sollten wir uns mit den verschiedenen Mikrobiomen befassen und überlegen, warum die Forschung wichtig ist. Das menschliche Mikrobiom wird zunehmend als ein Eckpfeiler unserer Gesundheit erkannt (Ghosh et al., 2022). Jüngste Studien haben Zusammenhänge zwischen dem Mikrobiom und vielen Aspekten der Gesundheit festgestellt, darunter psychische Gesundheit, Hautgesundheit und Herzgesundheit (Chakraborty et al., 2024).
Aber nicht nur unser eigenes Mikrobiom ist von Bedeutung - mikrobielle Gemeinschaften in der Umwelt sind ebenso wichtig. Das Mikrobiom des Bodens, des Wassers und der Luft hat wichtige Anwendungen für die biologische Vielfalt und das allgemeine Wohlbefinden der Biosphäre. Mikrobengemeinschaften spielen eine wesentliche Rolle bei der Wiederverwertung und Bindung von Nährstoffen und bei der Pflanzengesundheit, indem sie die Bodenqualität für das Wachstum von Nutzpflanzen fördern. Einige nützliche Mikroben können den Pflanzen helfen, mehr Nährstoffe aus ihrer Umgebung aufzunehmen, und dadurch die Pflanzengesundheit und den Ernteertrag fördern (Harman et al., 2021). Bisher wurden weniger als 1% der Umweltmikroben kultiviert, was Raum für noch größere Entdeckungen und Innovationen in der Zukunft lässt (Yu et al., 2022).
Seltene mikrobielle Arten: Entdeckungen und aktuelle Hindernisse in der Mikrobiomforschung.
Die Isolierung und Kultivierung seltener mikrobieller Arten hat in den letzten Jahren zu einigen der bedeutendsten Entdeckungen geführt. Diese Durchbrüche unterstreichen das enorme Potenzial für die Entdeckung zusätzlicher Anwendungen mikrobieller Arten, die noch charakterisiert werden müssen.
Obwohl die Isolierung und Untersuchung seltener mikrobieller Spezies von entscheidender Bedeutung ist, erschweren mehrere bedeutende Herausforderungen die Isolierung von Spezies, was den Fortschritt von Forschungs- und Entwicklungsinitiativen verlangsamt.
- Zeitaufwendig die manuelle Handhabung großer Bakterienpopulationen, was das Risiko einer Kontamination und falschen Kennzeichnung erhöht (Franco-Duarte et al., 2019; Needs et al., 2021).
- Spezifische Wachstumsanforderungen Zu diesen Faktoren kann das Vorhandensein anderer Arten gehören, mit denen sie eine symbiotische Beziehung teilen, sowie ein komplexes Zusammenspiel von Bedingungen wie pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffgehalt und anderen Variablen (Gupta et al., 2017).
- Geringe Abundanz Mikroben mit geringer Häufigkeit sind schwer zu isolieren, insbesondere bei manuellen Methoden, bei denen sie von häufiger vorkommenden oder schneller wachsenden Mikroben überwuchert werden können (Cena et al., 2021; Han & Vaishnava, 2023).
- Effektive Zelldetektion Herkömmlichen Methoden mangelt es oft an der erforderlichen Empfindlichkeit, um einzelne Mikroben zuverlässig zu identifizieren und zu isolieren, insbesondere in komplexen Proben. Zudem erschwert die Isolierung von Mikroben unter anaeroben Bedingungen den Nachweis zusätzlich (Börner, 2016).
Neue Technologien verändern die Arbeitsabläufe in der Mikrobiomforschung.
Mehrere wichtige Technologien werden entwickelt, um die Herausforderungen moderner mikrobiologischer Arbeitsabläufe zu bewältigen. Sie ermöglichen einen höheren Durchsatz und eine bessere Auflösung bei der Untersuchung und Kultivierung neuer und seltener Arten.
- Mikrofluidik Besonders leistungsfähig ist die Mikrofluidik bei der Isolierung einzelner Zellen aus komplexen Mikrobiomproben. Dabei können individuelle Kulturumgebungen für einzelne Zellen bereitgestellt werden. Dies ermöglicht einen enormen Durchsatz in kleinem Maßstab.
- Molekulartechniken und Genomik Zu diesen Techniken gehört die fortgeschrittene Genomsequenzierung, die sowohl einen hohen Durchsatz als auch eine hohe Auflösung zur Identifizierung der verschiedenen Arten bietet.
- Automatisierung und Kulturologie Die Automatisierung ist besonders leistungsfähig, wenn es darum geht, mikrobiologische Arbeitsabläufe zu beschleunigen und genauer zu gestalten. Sie macht die manuelle Manipulation von Bakterienkulturen überflüssig, die zeitaufwändig, kontaminationsanfällig und mit der Isolierung neuer Arten unvereinbar ist.
Lösungen zur Verbesserung und Optimierung mikrobiologischer Arbeitsabläufe.
Die Anwendung von Einzelzellendosierung (SCD) einen höhen Durchsatz bei der markierungsfreien Sortierung von mikroskopischen Partikeln in der Mikrobiomforschung. Das Dispensieren einzelner Zellen direkt auf Agar, um Einzelzellkolonien zu erhalten, oder das Dispensieren in flüssiges Medium in einem 384-Wellplate-Format verkürzt den wertvollen Zeitaufwand im Vergleich zu den herkömmlichen Inokulation -> Kolonieentnahme -> 3x neu streuen'. Arbeitsablaufs und eliminiert das Risiko einer Kontamination bei praktischen Tätigkeiten, wie in der Abbildung oben dargestellt.
Die Kombination der neuesten Technologie für die Sortierung von Bakterienzellen und das Dispensieren von Einzelzellen mit den Vorteilen der Automatisierung kann jeden mikrobiombezogenen Arbeitsablauf zu einem Hochdurchsatzverfahren machen.
Stellen Sie sich vor, wie effizient die Entdeckung neuer, seltener Arten aus jeder beliebigen Mischprobe ist, wenn Sie die Leistungsfähigkeit der Open-Source-Systeme für die Handhabung von Flüssigkeiten, die eine "Rosinenpickerei" durchführen unter sterilen Bedingungen.
Die Integration von fortschrittlicher Einzelzelldispensierung, bakterieller Zellsortierung und Automatisierung markiert einen Wendepunkt in der Mikrobiomforschung. Durch die drastische Erhöhung des Durchsatzes, die Verringerung des Zeitaufwands und die Minimierung des Kontaminationsrisikos verändern diese Technologien die Art und Weise, wie Forscher seltene mikrobielle Arten isolieren und untersuchen.
Stellen Sie sich die Effizienz bei der Entdeckung neuer, seltener Spezies aus jeder beliebigen Mischprobe vor, wenn Sie die Leistungsfähigkeit von Open-Source-Flüssigkeitssystemen nutzen, die unter sterilen Bedingungen eine Rosinenpickerei durchführen. Ja, der Weg zur Erschließung der gesamten Vielfalt des Mikrobioms war noch nie so zugänglich wie heute.
Und wir sind hier, um Ihnen zu helfen, diesen Sprung zu machen!
