Hodowla niehodowanych dotąd mikroorganizmów morskich dzięki innowacyjnej biotechnologii
Mikroorganizmy odpowiadają za właściwe funkcjonowanie ziemskich ekosystemów i mogą zaoferować nam bezgraniczne możliwości rozwoju nowych antybiotyków i alternatywnych źródeł energii. Ponieważ nasza wiedza na temat możliwości wykorzystania różnorodności mikroorganizmów morskich jest ograniczona, finansowany z funduszy unijnych projekt MACUMBA wydobył na światło dziennie rewolucyjne metody biotechnologiczne pozwalające wyizolować i rozpocząć hodowlę prawdziwej skarbnicy niehodowanych dotąd mikroorganizmów morskich.
Europejskie społeczeństwa stoją obecnie przed szeregiem globalnych wyzwań, które mają coraz większy wpływ na ich codzienne życie – od zmian klimatycznych, przez wzrost poziomu dwutlenku węgla, aż po kryzys energetyczny i żywnościowy. Powierzchnię naszej planety w 70% zajmują oceany wypełnione nieskończoną liczbą zróżnicowanych i niewidocznych na pierwszy rzut oka mikroorganizmów. Dostarczają one pożywienia organizmom o wyższym stopniu rozwoju, takim jak ryby, a ponadto stanowią ważny element pompy biologicznej, która przeciwdziała wzrostowi poziomu dwutlenku węgla i globalnemu ociepleniu.
Biorąc pod uwagę fakt, że 99,9% całkowitej liczby gatunków nie zostało jeszcze poznanych, a 90% biomasy morskiej cechują mikroskopijne rozmiary, kluczowe znaczenie ma poznawanie mechanizmów odpowiadających za te procesy w obrębie mikrobiomu. W tym kontekście głównym celem projektu MACUMBA (Marine microorganisms: Cultivation methods for improving their biotechnological applications) było opracowanie innowacyjnych metod izolowania i hodowli szerokiej gamy mikroorganizmów morskich – bakterii, archeonów i eukariontów. „W obrębie edukacji mikrobiologicznej niewiele uwagi poświęcano dotąd izolowaniu i hodowli mikroorganizmów, a jednym z celów inicjatywy MACUMBA było przywrócenie tym umiejętnościom należnego im miejsca oraz podkreślenie znaczenia przechowywania mikroorganizmów w postaci kolekcji kultur i zasobów biologicznych na potrzeby społeczeństwa” – mówi koordynator projektu MACUMBA, profesor Lucas Stal.
Umożliwienie precyzyjnego określania, odzwierciedlania i pobierania próbek naturalnego środowiska, w którym żyją niewidoczne na pierwszy rzut oka i nieznane dotychczas mikroorganizmy, było dla naukowców kluczowym wyzwaniem. Morze z natury nie jest obszarem jednorodnym i obejmuje wiele różnych środowisk. Aby zrealizować te założenia, zespół projektu MACUMBA rozpoczął hodowlę mikroorganizmów zarówno w formie czystych kultur, jak i kokultur, aby znaleźć ślady istnienia nowych mikroorganizmów, związków i cech. Dawniej uważano, że mikroorganizmy najlepiej jest badać jako czyste kultury w drodze analizy kwasów nukleinowych (DNA i RNA). Jednak ten tok myślenia uległ obecnie zmianie, ponieważ w środowisku naturalnym organizmy te nie żyją w odosobnieniu, lecz wzajemnie dostarczają sobie niezbędnych czynników wzrostu. W konsekwencji naukowcy uczestniczący w inicjatywie MACUMBA wykorzystali do badań nad morskim mikrobiomem bogatą paletę innowacyjnych technik. Opracowano pęsety optyczne pozwalające wyizolować pojedyncze komórki ze skupisk, a także niezbędnik w formie skrzynki zawierającej specjalny zestaw do zbierania cyjanobakterii w celu monitorowania ich parametrów wzrostu, odporności i reakcji na strategie hodowli poza naturalnym środowiskiem.
Utrzymanie żywotności tych wyizolowanych organizmów okazało się kolejnym poważnym wyzwaniem. Zespół badawczy składający się z 22 partnerów z 12 krajów UE skupił się na krioprezerwacji próbek za pomocą pary ciekłego azotu (o temp. -196°C), wykorzystując w tym celu szereg różnych krioprotektantów (takich jak DMSO, gliceryna, metanol i inne) oraz procedur zamrażania.
Projekt, dzięki któremu odkryto tysiące mikroorganizmów o dużej bioróżnorodności – w tym najmniejszą na świecie bakterię wodną – oraz opracowano nowe metody hodowli i kolekcje kultur w całej Europie, oficjalnie dobiegł końca w lipcu 2016 roku. Poszukiwanie nowych gatunków i odkrywanie tajemnic oceanów wciąż pozostaje jednak ogromnym wyzwaniem. Metody i techniki przygotowane przez zespół inicjatywy MACUMBA bez wątpienia stanowią pierwszy znaczący krok w kierunku stworzenia w przyszłości podobnych, wielowymiarowych podejść badawczych, które – raczej prędzej niż później – doprowadzą do opracowania produktów farmakologicznych i biotechnologicznych.