algologické kultivační techniky

Historie kultivování sinic a řas

Historie spojená se studiem nebo myšlenkami o existenci mikrosvěta sahá hluboko do historie lidstva a prvotní myšlenky spojené s mikroorganismy se objevují již ve starověku. Otázka mikroorganismů se dostává výrazně do popředí, především se jí věnují lékaři v období středověkých epidemií. Zásadním se pak pro poznání mikrobiálního světa stává Antoni van Leeuwenhoek (1632 - 1727) a jeho objev jednoduchého mikroskopu, díky kterému jako první pozoruje mikroorganismy, které byly pro jeho předchůdce především abstraktním a více filosofickým než exaktním tématem, a tyto organismy označuje jako animalcules, mezi jeho pozorováními se objevují také mikroskopické řasy. Další rozvoj poznání mikrosvěta přináší zdokonalení mikroskopu Robertem Hookem (1635 – 1703), který také poprvé používá slovo buňka (lat. cellula, etymologicky odvozena od komůrky, klášterní cely). Právě objev mikroskopu a jeho zdokonalení odstartoval zlatý věk mikrobiologie.

Z dlouhého seznamu jmen z tohoto období je zásadní práce Louisa Pasteura (1822 – 1895) a Roberta Kocha (1843 – 1910), kteří stanovili základní mikrobiologická dogmata – vyvrácení abiogeneze, principy očkování, sterilizace (pasterizace), mikroorganismy jako původci chorob. Nově získané poznatky v mikrobiologii pak utřídil a systematicky zpracoval Ferdinand J. Cohn (1829 – 1898), mimo jiné autor konceptu sinic jako samostatné skupiny bakterií. Milníky v metodice kultivace mikroorganismů jsou spojena se jmény spolupracovníků R. Kocha – Julius R. Petri (1852 – 1921, kultivační misky) a Walther Hesse (1846 – 1911, agar jako kultivační médium).

Pro kultivaci sinic a řas byl mikrobiální výzkum zásadní a poznatky z tohoto výzkumu byly a jsou základy využívané dodnes, ať už se jedná o metodiky izolací a kultivací mikroorganismů nebo jejich výživy, především práce Martina W. Beijerincka (1851 – 1931) a Sergeie N. Winogradskeho (1856 – 1953), nebo objevu antibiotik Alexandrem Flemingem (1881 – 1955).

Historie kultivace sinic a řas, jejich udržování ve sbírkách a studium jejich taxonomie, fyziologie apod. je poměrně dlouhá, a proto se následující text jen velmi stručně zmíní o zásadních osobnostech a objevech z této oblasti. Detailnější souhrn dějin tohoto oboru shrnutí například Preising & Andersen (2005) nebo Mollenhauer (2004).

První pokusy o kultivace sinic a řas s využitím kultivačního média provedl Andrei Sergeyevich Famintzin (1835 – 1918). Pravděpodobně první kultura řasy byla kultura zeleného bičíkovce rodu Haematococcus, kterou vyizoloval Ferdinand J. Cohn (1828 – 1898), a první axenická kultura řasy Chlorella byla vyizolována Martinem W. Beijerinckem (1851 – 1931) v roce 1889, tato kultura je stále udržována v několika sbírkách, tedy již 130 let, podobně úspěšně axenizoval kultury Georg Albrecht Klebs (1857 – 1918), který získával axenické kultury vláknitých a sifonálních řas pomocí izolace jejich zoospor.

Nové kultivační a izolační techniky anebo modifikace soudobých mikrobiologických technik využitelných pro sinice a řasy přinesla například práce Pierra Miquela (1850 – 1920), který je považován za zakladatele oboru aerobiologie a který zavedl dnes rutinní izolační techniky (ředící řada, izolace mikrokapilárou, organické výtažky přidávané do médií apod.). Sinice a řasy udržované v kulturách nabídly možnost studovat fyziologii těchto organismů, vliv mědi na růst sladkovodních řas studovaný na rodu Spirogyra (Otto Nägeli, 1871 – 1938), minerální výživa řas (Hans Molisch, 1856 – 1937; Wilhelm Benecke, 1868 – 1946), studium fototaxe (Felix Mainx, 1900 – 1983), objev enzymů dýchacího řetězce a jejich funkce s využitím studia mikrořas (Nobelova cena za fyziologii a medicínu, Otto Henrich Warburg, 1883 – 1970). V oblasti fyziologie řas byli dále významní Edgar Allen (1866 – 1942) věnující se především mořským řasám – kultury mořských rozsivek rodů Chaetoceros, Skeletonema, Thalassiosira, designování umělé mořské vody, pochopení významu železa a jiných stopových prvků pro řasy apod. V oblasti fyziologie řas, a především metabolismu stopových prvků byl Luigi Provasoli (1908 – 1992), autor mnoha kultivačních médií, studium metabolismu prvků, efekt chelatace, purifikace kultur s využitím antibiotik apod.

Možnost pracovat s kulturami přinášela také posun v taxonomii sinic a řas – Wilhelm Vischer (1890 – 1960) studoval kultury terestrických řas, především zelených řas (Chlorophyceae) a různobrvek (Xantophyceae), kultury sinic a řas při taxonomickém studium a studiu životních cyklů využíval také Lothar Geitler (1899 – 1990), Robert Chodat (1865 – 1934, sbírka asi 300 řasových axenických kultur) a mnoho dalších. K těmto účelům slouží kultury sinic a řas dodnes.

Zásadní osobností spojenou se studiem sinic a řas a kultivací těchto organismů byl Ernst Georg Pringsheim (1881 – 1970) a mnoho jeho izolátů je stále udržováno ve světových sbírkách (Day et al., 2004). Pringsheim publikoval několik prací věnovaných kultivaci sinic a řas, včetně souborné práce Pure Cultures of Algae (Pringsheim, 1946), využíval kultivaci na bifázických půdních médiích, přídavcích půdních a rašelinných výtažků do kultivačních médií a také otázkách heterotrofní kultivace řas. Část svého vědeckého působení spojil s Prahou, kde na Německé univerzitě v Praze vybudoval sbírku kultur sinic a řas, bohužel po okupaci Německem byl nucen Prahu opustit a se svou rodinou odešel do exilu ve Velké Británie, kde založil sbírku Culture Collection of Algae and Protozoa (CCAP), jejímž základem se stala část z Prahy odvezených kultur. Během svého exilového pobytu navázal spolupráci s Richardem C. Starrem (1924 – 1988), se kterým část Pringsheimových kultur odvezl do Spojených států amerických, kde posloužily v roce 1953 jako základ nově vzniklé sbírky na Texaské univerzitě – Culture collection of Algae at the University of Texas at Austin (UTEX). Po svém návratu do Německa založil v roce 1953 další sbírku Culture Collection of Algae at Göttingem University (SAG). V současné době všechny tyto sbírky stále udržují některé Pringsheimovské izoláty, spolu s nimi také Sbírka autotrofních organismů v Třeboni, kam byly kultury přesunuty z Prahy, kde se o ně během války staral Pringsheimův spolupracovník Viktor Czurda a později je převzal Silvestr Prát (Day et al., 2004, Mollenhauer, 2003, 2004, Sharma et al., 2019). Díky velkému množství kultur sinic a řas měl Pringsheim možnost komplexně tyto organismy studovat, ať už z pohledu morfologického, taxonomického tak i fyziologického, přehled některých Pringsheimových studií je uveden v Tabulce 1.1.


Obr. 1.1. Ernst Georg Pringsheim (foto S. Droop, z Mollenhauer, 2004).

Tab. 1.1. Příklady oblastí, ve kterých E. G. Pringsheim studoval sinice a řasy (podle Mollenhauer, 2004, zkráceno a upraveno).

Oblast

Purifikace kultur



Morfologická variabilita

Taxonomické studie



Metabolismus



Mixotrofie


Heterotrofie


Fyziologie


Studované organismy (studované téma)

sinice (axenické kultury)

krásivky

Volvox

Cryptomonas a příbuzné rody

Borzia, Pseudanabaena

Euglena

Eutreptia viridis a příbuzné rody

Trachelomonas (Fe, Mn)

Aphanizomenon, Cylindrospermum (N)

Anthophysa vegetans aj. (Fe, Mn)

Synechococcus

Chlamydomonadales, Volvocales

Ochromonas

Peranema (fagotrofie)

Euglena (plastidy)

Astasia, Chilomonas, Chlorogonium, Euglena, Polytoma, Polytomela, Pyrobotrys, Menoidium, Rhabdomonas (metabolismus, apochlorie)

Haematococcus, Stephanosphaera (výživa)

Volvox a příbuzné bičíkaté řasy (organická výživa, vitamíny)


V počátcích kultivací mikroorganismů, včetně sinic a řas, a sbírek mikrobiálních kultur je výrazná česká stopa. Pravděpodobně úplně první sbírka mikrobiálních kultur vznikla v roce 1890 na Německé univerzitě v Praze a jejím zakladatelem byl František Král (1846 – 1911) pod oficiálním názvem Král’sche Sammlung von Mikroorganismen. Jeho katalog kultur byl poprvé publikován v roce 1900 a obsahoval kolem 800 kmenů zahrnujících patogeny lidí a zvířat, anaerobní bakterie, mikroorganismy spojené s kvasnými procesy a s mlékárenstvím, houby a řasy. Králova sbírka fungovala jako klasická servisní sbírka, poskytující materiál dalším organizacím (Sly et al., 1990). Druhou českou stopu ve spojení se sbírkami sinic a řas zanechal Václav Uhlíř (1892 – 1915) pracující v Laboratoři rostlinné fyziologie Univerzity Karlovy v Praze, kde udržoval kultury na Petriho miskách s filtračním papírem nasyceným půdním extraktem a pod nepřetržitým žárovkovým osvětlením. Bohužel V. Uhlíř padnul v první světové válce a jeho sbírka zanikla (Lukavský, 2003). Součástí sbírky V. Uhlíře byly izoláty symbiotických sinic rodu Nostoc z lišejníku rodu Collema, podobně Jan Hořejší (1885 - 1957) izoloval symbiotické sinice druhu Trichormus cycadearum, který poměrně detailně popsal včetně jeho interakce s rostlinami cykasu (Hořejší, 1910a,b). Pokračovatelem V. Uhlíře se stal rostlinný fyziolog Silvestr Prát (1895 – 1990), který úspěšně izoloval a kultivoval některé druhy sinic (např. některé zástupce rodu Oscillatoria), jeho sbírka však pro nedostatek prostředků zanikla. Silvestr Prát však vstupuje do historie českých sbírek ještě jednou, kdy po druhé světové válce přebírá původní sbírku kmenů, kterou na Německé univerzitě vytvořil Ernst Georg Pringsheim (viz výše) a kterou během války spravoval Pringsheimův spolupracovník Viktor Czurda (1897 – 1945). Silvestr Prát tuto sbírku po válce převzal a spolu s jeho spolupracovníky tuto sbírku rozšířili, např. také o izoláty mechů a játrovek. V šedesátých letech založil Bohuslav Fott (1908 – 1976) sbírku na katedře botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, sbírka funguje dodnes. Sbírka sinic a řas v Třeboni vznikla v roce 1960 jako součást Algologické laboratoře Mikrobiologického ústavu ČSAV, jejími zakladateli byli Jiří Komárek (*1931) a František Hindák (1937 – 2019), primární účel sbírky byl v hledání zajímavých produkčních kmenů. V období normalizace hrozil sbírce zánik a o její záchranu se zasloužil botanik Slavomil Hejný a sbírka se roku 1979 stala součástí Botanického ústavu AV ČR a je jeho součástí dodnes (Lukavský, 2003).

Významné události spojené se sbírkami sinic a řas

  • 1890 – první sbírka, obsahující také řasy, na Německé univerzitě v Praze

  • 1910 – první sbírka kultur řas na Karlově univerzitě v Praze

  • 1925 – založena American Type Culture Collection

  • 1947 – založena sbírka Culture Collection of Algae and Protozoa

  • 1953 – založení sbírek Culture Collection of Algae at The University of Texas at Austin a Sammlung von Algenkulturen

  • 1960 – vznik sbírky Culture Collection of Algae at Laboratory of Algology v Třeboni

  • 1961 – založení algologické sbírky v Praze – Culture Collection of Algae of Charles University

  • 1970 – vznik světové federace sbírek kultur (World Federation for Culture Collections)

  • 1979 – založena sbírka autotrofních organismů v Třeboni, navazující na sbírku z roku 1961

  • 1981 – založena Evropská federace sbírek (European Culture Collection's organisation