微生物培養

微生物学的培養、または微生物培養は、管理された実験室条件下で所定の培養培地で微生物を繁殖させることにより微生物を増やす方法です。微生物培養は、分子生物学の研究ツールとして使用される基礎的かつ基本的な診断方法です。

培養という用語は、培養される微生物を指す場合もあります。

微生物培養は、微生物の種類、検査対象のサンプル中の微生物の豊富さ、またはその両方を判断するために使用されます。微生物学の主要な診断方法の 1 つであり、所定の培地で病原体を増殖させることで感染症の原因を特定するツールとして使用されます。たとえば、咽頭培養は、咽頭の奥の組織の内層をこすり取り、そのサンプルを培地に吸い取って採取し、連鎖球菌性咽頭炎の原因菌である化膿連鎖球菌などの有害な微生物をスクリーニングできるようにします。 ^[1]さらに、培養という用語は、一般的には、研究室で特定の種類の微生物を「選択的に増殖させる」ことを指すために非公式に使用されます。

微生物の純粋培養を分離することがしばしば不可欠です。純粋 (または無菌) 培養は、他の種またはタイプの不在下で増殖する細胞または多細胞生物の集団です。純粋培養は単一の細胞または単一の生物に由来する場合があります。その場合、細胞は互いの遺伝的クローンです。微生物培養物をゲル化するために、アガロースゲル (寒天) の培地が使用されます。寒天は海藻から得られるゼラチン状の物質です。寒天の安価な代替品はグアーガムで、好熱菌の分離と維持に使用できます。

最初の培養培地は、1860年にルイ・パスツールによって設計された液体培地でした。 ^[2]これは、1881年にロベルト・コッホが固体培地を開発するまで、研究室で使用されていました。 ^[3]コッホが固体培地に平らな板を使用する方法は、 1887年にジュリアス・リチャード・ペトリの丸い箱に置き換えられました。 ^[2]これらの基礎的な発明以来、科学者が微生物の培養を成長、識別、精製するのに役立つ多様な培地と方法が進化してきました。

原核生物の培養には、通常、細菌が関与します。これは、古細菌を実験室で培養することが難しいためです。^[4]純粋な原核生物培養を得るには、生物の単一細胞または単一コロニーから培養を開始する必要があります。^[5]原核生物コロニーは単一細胞の無性生殖であるため、すべての細胞は遺伝的に同一であり、純粋な培養になります。

ウイルスおよびファージの培養には、ウイルスまたはファージが増殖する宿主細胞が必要です。バクテリオファージの場合、培養は細菌細胞に感染させることによって行われます。その後、プレート上の細菌叢で生じたプラークからファージを分離できます。ウイルス培養は、適切な真核宿主細胞から得られます。画線プレート法は、微生物集団を物理的に分離する方法であり、接種ループを使用して固体寒天プレート上で接種物を前後に広げることによって行われます。インキュベーションすると、コロニーが発生し、単一細胞がバイオマスから分離されます。微生物が純粋培養で分離されたら、保存培養と呼ばれる培養でさらなる研究と使用のために、生存可能な状態で保存する必要があります。これらの培養は、生物学的、免疫学的、および文化的特徴が失われないように維持する必要があります。

真核細胞培養は、真核生物を研究するための制御された環境を提供します。酵母、藻類、原生動物などの単細胞真核生物は、原核生物の培養と同様の方法で培養できます。C . elegansなどの多細胞の微小真核生物についても同様です。

巨視的真核生物は実験室で培養するには大きすぎるが、これらの生物から採取した細胞は培養することができる。これにより、研究者は巨視的真核生物の特定の部分やプロセスを試験管内で研究することができる。

微生物培養の 1 つの方法は液体培養です。液体培養では、目的の微生物を垂直フラスコ内のルリア ブロスなどの液体栄養培地に懸濁します。これにより、科学者はさまざまな下流用途のために大量の細菌やその他の微生物を培養できます。

液体培養は、抗菌アッセイの準備に最適です。抗菌アッセイでは、液体培養液に細菌を接種し、一晩増殖させます（均一な増殖を促すために、培養液を機械的に混合するために「シェーカー」を使用する場合があります）。その後、サンプルの一部を採取し、特定の薬剤またはタンパク質（抗菌ペプチド）の抗菌活性をテストします。

静的液体培養も代替手段として使用できます。この培養は振動せず、微生物に酸素勾配を提供します。^[6]

微生物培養は、寒天ベースの培養培地の薄い層があるさまざまなサイズのペトリ皿で行うことができます。ペトリ皿の培養培地に目的の細菌を接種したら、選択した細菌の増殖に最適な温度で培養します (たとえば、通常、ヒトまたは動物の培養の場合は 37 ℃ または人間の体温、環境培養の場合はそれより低い温度)。目的の増殖レベルに達したら、寒天プレートを逆さまにして冷蔵庫に長期間保管し、将来の実験のために細菌を保存することができます。

寒天をプレートに注いで固める前に、寒天に加えることができる添加物にはさまざまなものがあります。細菌の種類によっては、特定の添加物がある場合にのみ増殖できます。これは、抗生物質耐性遺伝子を含む細菌の遺伝子組み換え株を作成するときにも使用できます。選択した抗生物質を寒天に加えると、耐性を付与する遺伝子挿入物を含む細菌細胞のみが増殖できるようになります。これにより、研究者は正常に形質転換されたコロニーのみを選択できます。

^{ディップスライド、デジタルディップスティック[7]}などのディップスティック形式に実装された寒天培地の小型版は、診断目的でポイントオブケアで使用できる可能性を示しています。これらは寒天培地よりもコスト効率が良く、操作に専門知識や実験室環境を必要としないため、ポイントオブケアで使用できるという利点があります。

選択培地と差別培地は、その培地で培養されている微生物の特性を明らかにします。この種類の培地は、選択培地、差別培地、または選択培地と差別培地の両方になります。複数種類の選択培地と差別培地で培養すると、混合培養物を精製し、科学者に未知の培養物を識別するために必要な特性を明らかにすることができます。

選択培地は、特定の種類の微生物の増殖を可能にしながら、他の微生物の増殖を阻害することで、微生物を区別するために使用されます。たとえば、エオシンメチレンブルー（EMB）は、EMB上で増殖を阻害するグラム陽性細菌を選別し、EMB上で増殖が阻害されないグラム陰性細菌を選択するために使用できます。^[8]

科学者は微生物を培養する際に、その生物の特定の生化学的特性を明らかにするために分化培地を使用します。これらの明らかにされた特性は、未知の培養物を識別するために既知の微生物の属性と比較されます。その一例はマッコンキー寒天培地(MAC) で、発酵によって酸が生成されると色が変わる pH 指示薬によって乳糖発酵細菌を明らかにします。^[9]

マルチターゲットパネルでは、以前に増殖したコロニーから分離された細菌が各ウェルに分配されます。各ウェルには増殖培地と生化学検査の成分が含まれており、検査対象に対する細菌の特性に応じてウェルの吸光度が変わります。パネルは機械で培養され、その後、比色法、濁度法、蛍光法などの光ベースの方法で各ウェルが分析されます。^[10]組み合わせた結果は、さまざまな細菌種の既知の結果のデータベースと自動的に比較され、現在のパネルに存在する細菌種の診断が生成されます。同時に、抗生物質感受性検査も行われます。

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  マルチターゲット微生物パネル。テストする細菌の少量を各ウェルに入れ、各ウェルには個別のテストのための成分が含まれています。
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  各ウェルの抗生物質感受性の自動テストに使用される機器にロードされた微生物パネル。
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  研究室の作業員が自動分析装置の画面に表示された結果を確認します。

穿刺培養は寒天培地に似ていますが、試験管内の固形寒天で形成されます。細菌は接種針またはピペットの先端を寒天の中央に刺して導入されます。細菌は穴を開けた部分で増殖します。^[11]穿刺培養は、培養物の短期保存または輸送に最もよく使用されます。さらに、穿刺培養では、培養された微生物の運動性や酸素要求量などの特性を明らかにすることができます。

50～70℃の温度で増殖するバチルス・アシドカルダリウス、バチルス・ステアロサーモフィルス、サーマス・アクアティカス、サーマス・サーモフィルスなどの好熱性微生物の固体プレート培養では、上記の好熱性細菌の計数や分離、またはその両方において、寒天よりも低アシルの精製ジェランガムが好ましいゲル化剤であることが証明されています。^[12]

微生物培養コレクションは、微生物系統学の研究のための標準参照微生物、細胞株、その他の材料の生存培養物の取得、認証、生産、保存、カタログ作成、配布に重点を置いています。^{[13] [14]培養コレクションは}タイプ株の保管庫でもあります。

• 血液培養
• 変化統計
• コロニー形成単位
• ジェランガム
• 微生物の暗黒物質
• 微生物食品培養
• スクリーニング培養
• 喀痰培養
• 同期文化

ウィキメディア・コモンズには、微生物培養に関連するメディアがあります。

• EFFCA - 欧州食品飼料培養協会。微生物培養の生産と使用、および法的側面に関する情報。