편모 모터 기능의 생물 물리학 적 특성
Summary
Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.
Abstract
The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel in response to a variety of environmental stimuli and are among the triggers for surface colonization and infections. The precise mechanisms by which motors remodel and promote cellular adaptation likely depend on key motor attributes. The photomultiplier-based bead-tracking technique presented here enables accurate biophysical characterization of motor functions, including adaptations in motor speeds and switch-dynamics. This approach offers the advantage of real-time tracking and the ability to probe motor behavior over extended durations. The protocols discussed can be readily extended to study flagellar motors in a variety of bacterial species.
Introduction
편모 모터는 나선형 외 필라멘트를 회전하여 수영을 셀 수 있습니다. 모터가 편모 (즉, 점성 부하)의 소정 기간 동안 생성 할 수있는 토크의 양이 수영 속도를 결정한다. 한편, 회전 방향을 전환 할 수있는 능력은 화학 약품, 화학 주성으로 공지 된 과정에 응답하여 세포 이동을 제어한다. 화성과 운동성되는 독성은 1-3, 편모 모터는 년 4로 잘 특성화 된 요인. 증거 확보 해주기 모터가 mechanosensor 역할을 제안 – 그것은 기계적 고체 기판 -5,6-의 존재를 검출한다. 이 기능은 가능성이 표면 식민지 및 감염 5,7 트리거링에 도움이됩니다. 결과적으로, 모터의 표면과 동수 신호를 감지하여 그에 메커니즘의 중요성 8,9이다.
편모 모터는 쉽게 flagell를 테 더링으로 공부하실 수 있습니다UM 기판에 세포 회전을 관찰. 이러한 테 더링이 먼저 안티 – 후크 항체 (10)와 유리 기판에 polyhook의 대장균에서 돌연변이 성공적으로 연결된 후크와 협력 실버 사이먼에 의해 달성되었다. 속박 세포 분석은 화학 자극의 다양한 모터 스위치의 반응을 연구 연구 할 수 있었다. 예를 들어, Segall와 동료들은 화학적으로 이온 영동 피펫의 도움으로 닿는 세포를 자극. CW 바이어스에 해당 변경 화성 네트워크 (11, 12)에서 적응의 반응 속도를 측정하기 위해 그들을 사용 (시간 모터의 비율은 CW, 시계 방향으로 회전). 닿는 세포 분석은 스위치 응답을 공부에 효과적이지만, 단지 점성로드 (13)의 제한된 범위에서 모터 역학에 대한 통찰력을 제공 할 수 있었다. 이 문제를 극복하기 위해 류와 동료들은 표면에 붙어있는 세포 스텁 필라멘트 구면 라텍스 비즈 닿는. 비드이었다다음 약한 광 트랩 (14) 백 초점 간섭을 사용하여 추적. 서로 다른 크기의 구슬과 협력함으로써, 연구진은 부하의 훨씬 넓은 범위에 걸쳐 모터를 연구 할 수있다. 이 분석법 후에 레이저 암시 야 조명과 결합 된 광전자 계 비드 추적 기술을 개발 위안 베르그 향상했다. 외부 점성 저항이 회전 (15, 16)에 내부 점성 저항에 비해 낮았다 너무 작았 닿는 골드 나노 비드 (~ 60 ㎚)의 그들의 방법을 사용 추적. 이 대장균에서 달성 가능한 최대 속도 (~ 300 Hz에서)의 측정을했다. V.의 alginolyticus에서 유사한 비드 분석은 중간 점성 부하 (~ 700 Hz에서) (17)의 회전 속도를 측정 할 수 있었다. (제로로드에서 가까운 매점에) 점성 부하의 전체 가능한 범위에서 모터 반응의 측정을 가능하게함으로써, 비드 분석은 t을 이해하는 중요한 생물 리 학적 도구를 제공orque 생성 프로세스 (18, 19).
최근에, 우리는 각각의 모터 6 정밀 기계적인 자극을 적용 할 수있게 광 핀셋을 포함하도록 위안 – 버그 분석을 수정했습니다. 그들은 점성 부하의 변화에 응답하여 개조 -이 기술을 이용하여, 모터 회전 힘 발전기 동적 mechanosensors이다 것으로 나타났다. 이 메커니즘 불분명 남아 있지만 이러한 하중 감지가 진을 치고 박테리아로 세포 분화를 유발하는 것이 가능하다. 직접적인 증거는 부족하지만 다른 종의 편모 모터는,도 20 mechanosensitive 것으로도 보인다. 여기, 우리는 편모 필라멘트 (15)에 닿는 라텍스 구슬의 회전을 추적하기위한 광전자 기반 (PMT) 접근 방식에 대해 설명합니다. 이 실시간으로 긴 경질 위에 단일 비드를 추적 비교적 간단하기 때문에 초고속 카메라 추적 비교에서, 광전자 – 설치 유리한TIONS. 때문에 환경 자극 (21)에 편모 모터 단지에 리모델링 긴 시간을 공부 할 때 특히 유용합니다. 구체적으로는 E. coli에 대한 우리 상세히 프로토콜이지만, 그들은 용이하게 다른 종 편모 모터 공부하도록 할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
테더 비드 추적 모터 토크의 정확한 추정을 용이하게하기 위해, 다음과 같은 정보가 검토되어야한다. flagellated 세포 이러한 측정을 수행 할 때, 전단은 중요한 단계입니다. 전단시켜 상기 모터의 점성 부하가 비드에 주로 기인하고 10 %의 오차 (16)에서 추정 될 수 있도록, 단순한 스터브로 편모 필라멘트를 감소시킨다. 양털 깎기도 밀접하게 분산 기행 (<비드 직경 14)와 원형 궤적?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge Howard Berg for the gift of the bead-tracking microscope/photomultipliers and the Texas A&M Engineering Experiment Station for funds.
Materials
| Poly-L-lysine Solution (0.1%) | Sigma-Aldrich | P8920 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en®ion=US |
| Polybead Microspheres | Polysciences, Inc. | 7307 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en®ion=US |
| 1 ml Luer Slip Tip Syringe | Exel Int. | 26048 | http://www.exelint.com/tuberculin_syringes.php |
| Clay Adams Intramedic Luer-Stub Adapter 23-gauge | Becton, Dickinson and Company | 427565 | http://www.bd.com/ds/productCenter/ES-LuerStubAdaptors.asp |
| Polyethylene tubing | Harvard Apparatus | 59-8325 | http://www.harvardapparatus.com/laboratory-polye-polyethylene-non-sterile-tubing.html |
| Photomultiplier Tubes | Hamamatsu | R7400U-20 | Spectral response range of 300 to 920 nm, Peak wavelength 630 nm, 0.78 ns response time http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/212308/HAMAMATSU/R7400U-20.html |
| 3×1 mm precision slits | Edmund Optics | NT39-908 | 2 slits mounted at right angles to one another on photomultiplier tubes |
| Oscilloscope | Tektronix | TBS 1032B | Alternative brands are acceptable. Digital Oscilloscope, TBS 1000B Series, 2 Analogue, 30 MHz, 500 MSPS, 2.5 kpts http://www.tek.com/oscilloscope/tbs1000b-digital-storage-oscilloscope |
| 8 Pole LP/HP Filter | Krohn-Hite | 3384 | Alternative brands are acceptable. A frequency range from 0.1 Hz to 200 kHz is recommended. http://www.krohn-hite.com/htm/filters/PDF/3384Data.pdf |
| Optiphot microscope | Nikon | NA | Any upright or inverted phase microscope can be used. https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=754 |
| 50:50 (R:T) Cube Beamsplitter | ThorLabs | BS013 |
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