成長培地

成長培地または培養培地は、細胞増殖プロセス^[1]またはコケ類のヒメツリガネゴケ^[2]などの小さな植物を介して微生物または細胞の集団の成長をサポートするように設計された固体、液体、または半固体です。さまざまな種類の培地が、さまざまな種類の細胞の成長に使用されます。^[3]

成長培地には、植物や動物に由来する特定の細胞型を使用する細胞培養用培地と、細菌や真菌などの微生物の増殖に使用される微生物培養用培地の2種類が主に用いられる。微生物用の最も一般的な成長培地は栄養培地と寒天培地であるが、微生物や細胞培養の成長には特殊な培地が必要になることもある。^{[1]栄養要求}が複雑な生物と呼ばれる一部の生物は、複雑な栄養要件のために特殊な環境を必要とする。例えば、ウイルスは絶対細胞内寄生虫であり、生きた細胞を含む成長培地を必要とする。

微生物の最も一般的な増殖培地は、栄養ブロス（液体栄養培地）または溶原性ブロス培地である。液体培地は寒天と混合され、滅菌培地ディスペンサーを介してペトリ皿に注がれ、固まる。これらの寒天プレートは、微生物を培養できる固体培地を提供する。寒天を分解できる細菌は非常に少ないため（例外として、サイトファガ属、フラボバクテリウム属、バチルス属、シュードモナス属、アルカリゲネス属の一部の種）、それらは固体のままである。液体培養で増殖した細菌は、多くの場合コロイド 懸濁液を形成する。^{[4] [5]}

細胞培養に用いられる培地と微生物培養に用いられる培地との違いは、生物全体から採取され培養された細胞は、通常生体内で発生するホルモンや成長因子などを添加しなければ増殖できないことが多いという点である。^[6]動物細胞の場合、この問題は培地に血清または合成血清代替物を添加することで対処されることが多い。微生物の場合、単細胞生物であることが多いため、そのような制限は存在しない。もう1つの大きな違いは、培養された動物細胞は接着する平らな表面上で増殖することが多く、培地は細胞を覆う液体の形で提供されることである。対照的に、大腸菌などの細菌は固体培地でも液体培地でも増殖できる。

培地の種類間の重要な違いは、化学的に定義された培地と未定義の培地の違いです。^[1]定義された培地には、すべての成分の量が既知です。微生物の場合、定義された培地は、微生物が必要とする微量元素とビタミン、特に定義された炭素源と窒素源を提供します。グルコースまたはグリセロールは炭素源として、アンモニウム 塩または硝酸塩は無機窒素源としてよく使用されます。未定義培地には、酵母エキスやカゼイン加水分解物など、多くの化学種の混合物が未知の割合で含まれる複雑な成分が含まれています。未定義培地は、価格に基づいて選択される場合もあれば、必要性から選択される場合もあります。一部の微生物は、定義された培地で培養されたことがありません。

成長培地の良い例は、ビールを作るのに使われる麦汁です。麦汁には酵母の成長に必要な栄養素がすべて含まれており、嫌気条件下でアルコールが生成されます。発酵プロセスが完了すると、培地と休眠中の微生物の組み合わせ、つまりビールが消費できる状態になります。主な種類は次のとおりです。

• 文化メディア
• 最小限のメディア
• 選択的メディア
• 差分メディア
• 輸送媒体
• 指標メディア

培地には、ほとんどの細菌の成長に必要なすべての要素が含まれており、選択的ではないため、実験室の培養コレクションに保管されている細菌の一般的な培養と維持に使用されます。

未定義培地（基本培地または複合培地とも呼ばれる）には、次のものが含まれます。

• グルコースなどの炭素源
• 水
• 各種塩
• アミノ酸と窒素の供給源（例：牛肉、酵母エキス）

アミノ酸源にはさまざまな化合物が含まれており、正確な組成が不明であるため、これは未定義の培地です。

定義された培地（化学的に定義された培地または合成培地とも呼ばれる）は、

• 使用される化学物質はすべて知られている
• 酵母、動物、植物組織は存在しない

栄養培地の例:

• 栄養寒天
• プレートカウント寒天培地
• トリプチケース大豆寒天

成長をサポートするのに十分な成分のみを含む限定培地は「最小培地」と呼ばれます。最小培地に追加する必要がある成分の数は、どの微生物を栽培するかによって大きく異なります。^{[7]最小培地は、コロニーの成長に必要な最小限の栄養素を含む培地で、通常はアミノ酸は含まれておらず、微生物学者や遺伝学者が「野生型」微生物を栽培するためによく使用されます。最小培地は、}組み換え体や接合完了体を選択または排除するためにも使用できます。

最小媒体には通常、次のものが含まれます。

• 炭素源。グルコースなどの糖や、コハク酸などのエネルギーの少ない炭素源である。
• 細菌の種類や生育条件によって異なる様々な塩類。これらは通常、細菌がタンパク質や核酸を合成するために必要なマグネシウム、窒素、リン、硫黄などの元素を供給します。
• 水

補助最小培地は、選択された単一の物質（通常はアミノ酸または糖）も含む最小培地です。この補助により、栄養要求性組み換え体の特定の系統を培養できます。

選択培地は、選択された微生物のみの増殖に使用されます。たとえば、微生物がアンピシリンやテトラサイクリンなどの特定の抗生物質に耐性がある場合、その抗生物質を培地に加えることで、耐性を持たない他の細胞の増殖を防ぐことができます。プロリンなどのアミノ酸を欠く培地と、それを合成できない大腸菌は、ゲノミクスが登場する前は、細菌の染色体 をマッピングするために遺伝学者によって一般的に使用されていました。

選択成長培地は、抗生物質耐性や特定の代謝産物を合成する能力など、特定の特性を持つ細胞の生存または増殖を確実にするために細胞培養にも使用されます。通常、特定の遺伝子または遺伝子の対立遺伝子の存在により、細胞は選択培地で成長する能力を付与されます。このような場合、遺伝子はマーカーと呼ばれます。

真核細胞の選択成長培地には、通常、ネオマイシンが含まれています。これは、マーカーとしてネオマイシン耐性遺伝子を持つプラスミドで正常にトランスフェクションされた細胞を選択するためです。ガンシクロビルは例外で、それぞれのマーカーである単純ヘルペスウイルスのチミジンキナーゼを持つ細胞を特に殺すために使用されます。

選択的メディアの例:

• エオシンメチレンブルーにはグラム陽性菌に有毒な染料が含まれています。これは大腸菌群の選択および差別化培地です。
• YM（酵母エキス寒天）はpHが低く、細菌の増殖を抑制します。
• MEA（麦芽エキス寒天）はpH 値が低いため、細菌の増殖を抑制します。
• マッコンキー寒天培地はグラム陰性細菌用です。
• ヘクトエン腸溶性寒天培地はグラム陰性細菌に対して選択的です。
• HIS 選択培地は、アミノ酸ヒスチジンが欠如したタイプの細胞培養培地です。
• マンニトール塩寒天培地はグラム陽性細菌を選択的に検出し、マンニトールを区別します。
• キシロースリジンデオキシコール酸はグラム陰性細菌に対して選択的です。
• 緩衝化炭酵母エキス寒天培地は、特定のグラム陰性細菌、特にレジオネラ・ニューモフィラに対して選択性があります。
• ベアード・パーカー寒天培地はグラム陽性ブドウ球菌用です。
• サブロー寒天培地は、pH 値が低く (5.6)、グルコース濃度が高い (3～4%) ため、特定の菌類に対して選択性があります。
• DRBC（ジクロラン・ローズベンガル・クロラムフェニコール寒天培地）は、食品中のカビや酵母の計数に用いられる選択培地です。ジクロランとローズベンガルはカビのコロニーの成長を抑制し、繁殖した菌種の過剰増殖を防ぎ、コロニーの正確な計数を助けます。^[8]
• 外生菌根菌にはMMN（改良メリン・ノークランス）培地とBAF培地が使用される。^{[9] [10]}
• コロンビアナリジクス酸（CNA）寒天培地には、グラム陰性菌を阻害し、グラム陽性菌を選択的に分離するのに役立つ抗生物質（ナリジクス酸とコリスチン）が含まれています。^[11]

差別培地または指示培地は、同じ培地上で増殖する微生物の種類を区別します。^[12]このタイプの培地は、培地に添加された特定の栄養素または指示薬（ニュートラルレッド、フェノールレッド、エオシンY、メチレンブルーなど）の存在下で増殖する微生物の生化学的特性を利用して、微生物の定義特性を視覚的に示すものです。これらの培地は、微生物の検出に使用され、分子生物学者は細菌の組み換え株を検出するためにも使用されます。

差分メディアの例:

• 血液寒天培地（連鎖球菌検査に使用）には、化膿連鎖球菌や黄色ブドウ球菌などのβ溶血性微生物が存在すると透明になる牛の心臓の血液が含まれています。
• エオシンメチレンブルーは乳糖発酵の鑑別試薬です。
• グラナダ培地は、この培地内で特徴的な赤いコロニーとして成長するStreptococcus agalactiae (B 群連鎖球菌)に対して選択的かつ差別的に作用します。
• マッコンキー寒天培地は乳糖発酵の鑑別用です。
• マンニトール塩寒天培地はマンニトール発酵の鑑別用です。
• X-galプレートはlac オペロン変異体の差別化に役立ちます。

輸送メディアは次の基準を満たす必要があります。

• 培養のために研究室に輸送される標本の一時保管
• 検体中のすべての生物の濃度を変えずに生存率を維持する
• 緩衝剤と塩のみを含む
• 微生物の増殖を防ぐための炭素、窒素、有機成長因子の不足
• 嫌気性菌の分離に使用する輸送媒体には分子状酸素が含まれていてはなりません。

輸送媒体の例:

• チオグリコール酸ブロスは、厳密な嫌気性菌用です。
• スチュアート輸送培地^{[13] [14]}は、酸化を防ぐ還元剤と中和するための木炭を含む非栄養性の軟寒天ゲルである。
• 淋菌に対しては特定の細菌抑制剤が使用され、腸内細菌に対しては緩衝グリセロール生理食塩水が使用されます。
• Venkataraman Ramakrishna (VR) 培地は、V. choleraeに使用されます。

強化培地には、より栄養価の高い微生物を含む、多種多様な微生物の成長に必要な栄養素が含まれています。これらは通常、標本に含まれるさまざまな種類の微生物を採取するために使用されます。血液寒天培地は、栄養価の高い全血で基本的な栄養素を補う強化培地です。チョコレート寒天培地は、熱処理された血液（40〜45℃または104〜113°F）で強化されており、茶色に変色して培地の名前の由来となっています。^[15]

培地の選択は、特に代謝研究において、組織培養実験から得られる知見の生理学的関連性に影響を与える可能性がある。 ^{[16]さらに、}細胞株の代謝遺伝子への依存性は、培地の種類によって影響を受けることが示された。^[17]複数の細胞株を含む研究を実施する場合、すべての細胞株に対して均一な培地を使用すると、生成されたデータセットの偏りが軽減される可能性がある。栄養素の生理学的レベルをより適切に表す増殖培地を使用することで、in vitro研究の生理学的関連性を向上させることができ、最近では、Plasmax ^[18]やヒト血漿様培地（HPLM）^[19]などの培地タイプが開発されている。

細胞培養培地の選択は、効率的な哺乳類細胞培養にとって非常に重要であり、細胞の成長、生産性、バッチ間の一貫性に大きな影響を与えます。^[20]タンパク質発現では、培地の選択は、グリコシル化などのプロセスを通じて、生成されたタンパク質の治療特性にも影響を与える可能性があります。^[21]血清含有培地、血清無含有培地、タンパク質無含有培地、化学的に定義された培地など、さまざまな種類の培地には、それぞれ異なる利点と欠点があります。

血清を含む培地は成長因子が豊富ですが、ばらつきや汚染の問題を引き起こす可能性があります。ウシ胎児血清（FBS）は細胞の成長をサポートする能力が高いため一般的に使用されていますが、その組成が一貫していないためバイオセーフティ上の懸念があります。^[20]対照的に、無血清培地（SFM）は、信頼性を高め、汚染リスクを軽減する標準化された配合を提供します。アミノ酸、ビタミン、グルコースなどの必須栄養素を含むように設計されていますが、血清を含む代替品と比較して成長パフォーマンスが弱くなることがあります。^[22]タンパク質を含まない化学的に定義された培地の開発は、細胞培養プロセスにおける一貫性と制御の向上を目的としています。

最終的に、培養培地の組成は細胞の生存率と生産性に直接影響を与えるため、哺乳類細胞の培養を成功させるには培養培地の慎重な選択と設計が不可欠です。

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