Bakteriler yaşamları boyunca zararlı veya faydalı mutasyonlar biriktirebilir. Bir hücre popülasyonunda, yararlı mutasyonlar biriktirmiş bireyler, arkadaşlarını hızla geride kalabilir. Burada, floresan etiketli bireyleri kullanarak zaman içinde bakteri hücresi popülasyonunda tür içi rekabeti görselleştirmek için basit bir prosedür sunuyoruz.
Bakteri gibi birçok mikroorganizma son derece hızlı çoğalır ve popülasyonlar yüksek hücre yoğunluklarına ulaşabilir. Bir popülasyondaki hücrelerin küçük fraksiyonları her zaman hücre için zararlı veya faydalı olan birikmiş mutasyonlara sahiptir. Bir mutasyonun fitness etkisi, alt nüfusa güçlü bir seçici büyüme avantajı sağlarsa, bu alt nüfusa sahip bireyler hızla rakip olabilir ve hatta yakın arkadaşlarını tamamen ortadan kaldırabilir. Bu nedenle, yararlı mutasyonlar elde eden hücrelerin küçük genetik değişiklikleri ve seçim odaklı birikimi, bir hücre popülasyonunun genotipinin tamamen kaymasına neden olabilir. Burada, gram-pozitif model bakteri bacillus subtilisfloresan etiketli bireylerinin birlikte çalıştırıldığı zaman içinde bakteri hücre popülasyonunda, sırasıyla yararlı ve zararlı mutasyonların hızlı klonal genişlemesini ve ortadan kaldırılmasını izlemek için bir prosedür sunuyoruz. Yöntemin gerçekleştirilmesi kolaydır ve bakteri hücre popülasyonundaki bireyler arasında tür içi rekabeti göstermek çok açıklayıcıdır.
Toprak bakterileri genellikle esnek düzenleyici ağlar ve geniş metabolik kapasitelerle donatılmıştır. Her iki özellik de hücrelerin katabolik ve anabolik yollarını, belirli bir ekolojik nişte bulunan besinler için arkadaşları ve diğer mikroorganizmalarla rekabet edecek şekilde ayarlamalarını sağlar1. Bununla birlikte, bakteriler çevrelerine uyum sağlayamazsa, diğer mekanizmalar bir türün hayatta kalmasını açıklayabilir. Gerçekten de, birçok bakteri hızlı çoğaldığı ve popülasyonlar yüksek hücre yoğunluklarına ulaşabildiğinden, alt popülasyonlar hücrelere seçici bir büyüme avantajı sağlayan ve bu nedenle zindeliklerini artıran kendiliğinden birikmiş faydalı mutasyonlara sahip olabilir. Ayrıca, mutasyonel sıcak noktalar ve strese bağlı adaptif mutajensis, maladapted bir bakterinin evrimini kolaylaştırabilir2,3. Bu nedenle, sürekli seçim altında mutasyonların ve büyümenin birikmesi, aynı cins içinde bile muazzam mikrobiyal çeşitliliğin kökenidir4,5. Doğada olduğu gibi, bakteri genomlarının şekillendirilmesi de seçim altında sürekli ekim nedeniyle laboratuvarda meydana gelir. Bu, temel araştırmalarda ve endüstride dünya çapında kullanılan Gram-pozitif bakteri B. subtilis’in evcilleştirilmesi ile örneklenmiştir. 1940’larda B. subtilis DNA’ya zarar veren X ışınları ile tedavi edildi ve ardından belirli bir büyüme koşulu altında ekimyapıldı 6. Evcilleştikleri sırada bakterilerde biriken mutasyonlar, birçok büyüme özelliğinin kaybını, yani B. subtilis laboratuvar suşu 168 karmaşık koloniler oluşturma yeteneğini kaybetti7,8.
Günümüzde, en iyi çalışılan model bakteriler Escherichia coli ve B. subtilisiçin, belirli bilimsel soruları ele almak için genomlarını genetik olarak manipüle etmek için çeşitli güçlü araçlar mevcuttur. Bazen bir ilgi geninin inaktivasyonu, daha sonra standart büyüme ortamında açıkça görülebilen ciddi bir büyüme kusuruna neden olur9. Bunun aksine, zayıf bir büyüme kusuru neden olan ve böylece suşun kondisyonunu sadece biraz etkileyen mutasyonlar genellikle göz ardı edilir. Bununla birlikte, her iki durumda da mutant suşlarının birkaç nesil boyunca uzun süreli inkübasyonu ve geçişi genellikle ana suşun fenotipini geri kazandıran baskılayıcı mutantların birikmesine neden2,9. Baskılayıcı mutantların karakterizasyonu ve ebeveyn mutant suşunun büyüme kusurunu geri kazandıran mutasyonların tanımlanması, önemli ve genellikle yeni hücresel süreçlerin aydınlatılmasına izin veren çok yararlı bir yaklaşımdır10,11.
Biz B. subtilis12glutamat homeostaz kontrolü ile ilgileniyoruz. E. coli’yebenzer şekilde, B. subtilis glutamat homeostazının(yaniglutamat bozulmasında blok2)bastırıcı mutantların birikmesiyle pertürbasyonuna yanıt verir. Spontan mutasyonla elde edilen bu baskılayıcı mutantlardaki genomik değişikliklerin glutamat homeostazını hızla geri getirdiği gösterilmiştir9,13. Bu nedenle, B. subtilis’in bakterinin evcilleştirmesi sırasında belirli bir büyüme durumuna adaptasyonunun enzim sentezinde ve glutamat metabolizmasında yer alan evrimleşmiş enzimatik aktivitelerde yansıtılması şaşırtıcı değildir12. Evcilleştirme işlemi sırasında büyüme ortamında eksojen glutamat eksikliğinin, laboratuvar suşu 1682,14’tekriyotik glutamat dehidrogenaz (GDH) gudBCR geninin ortaya çıkması ve sabitlenmesi için itici güç olduğu ileri sürülmüştür. Bu hipotez, laboratuvar suşundaki GDH aktivitesinin azalmasının, eksojen glutamat az olduğunda bakterilere seçici bir büyüme avantajı sağladığı gözlemimiz ile desteklenmektedir2. Ayrıca, bir B. subtilis suşunun yetiştirilmesi, GDH GudB sentezlenmesi, eksojen glutamat yokluğunda gudB genini inaktive eden baskılayıcı mutantların birikmesi ile sonuçlanır2. Açıkçası, katabolik olarak aktif bir GDH’nin varlığı hücre için dezavantajlıdır, çünkü anabolizma için kullanılabilecek endojen olarak üretilen glutamat amonyum ve 2-oksioglutarat olarak bozulur (Şekil 1). Bunun aksine, glutamat ortam tarafından sağlandığında, üst düzey GDH aktivitesi ile donatılmış bir B. subtilis suşu, sadece bir fonksiyonel GDH sentezleyen bir suş üzerinde seçici bir büyüme avantajına sahiptir. Üst düzey GDH aktivitesinin, bakterilerin orta2 tarafından sağlanan diğer karbon kaynaklarına ek olarak ikinci bir karbon kaynağı olarak glutamat kullanmasına izin verdiğini varsaymak mantıklıdır (bkz. Şekil 1). Bu nedenle, GDH aktivitesi, eksojen glutamanın mevcudiyetine bağlı olarak bakterilerin zindeliğini güçlü bir şekilde etkiler.
Burada, kromozom üzerinde tek bir lokusta farklılık gösteren iki B. subtilis suşu arasındaki tür içi rekabeti izlemek ve görselleştirmek için çok açıklayıcı bir yöntem sunuyoruz (Şekil 2). İki suş, floroforlar YFP ve CFP’yi kodlayan yfp ve cfp genleri ile etiketlendi ve farklı beslenme koşulları altında birlikte çalıştı. Zamanla örnekleme yaparak ve agar plakalarına uygun seyreltmeler yaparak, kültürlerin her birinde hayatta kalanlar ortak bir stereo floresan mikroskobu kullanılarak kolayca izlenebilir. Bu makalede açıklanan prosedürün gerçekleştirilmesi kolaydır ve zaman içinde bir hücre popülasyonunda sırasıyla yararlı ve zararlı mutasyonların hızlı klonal genişlemesini ve ortadan kaldırılmasını görselleştirmek için uygundur.
Bakterilerin rekabetçi uygunluğunu analiz etmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir16. Çoğu durumda bakteriler farklı antibiyotik direnç kasetleri ile etiketlenmiştir17. Yaklaşımımıza benzer şekilde, hücrelerin antibiyotik direnç kasetleri ile etiketlanması, tanımlanmış büyüme koşulları altında kokültivasyon sırasında bakterilerin rekabetçi zindeliğinin değerlendirilmesini sağlar. Ayrıca, bu yöntem kromozom17’dekibelirli bir çekirgede birbirinden…
The authors have nothing to disclose.
Yazarların laboratuvarındaki çalışmalar Deutsche Forschungsgemeinschaft (http://www.dfg.de tarafından desteklendi; CO 1139/1-1), Fonds der Chemischen Industrie (http://www.vci.de/fonds) ve Göttingen Moleküler Biyoloji Merkezi (GZMB). Yazarlar Jörg Stülke’yi yararlı yorumlar ve makalenin eleştirel okuması için kabul etmek istiyor.
(NH4)2SO4 | Roth, Germany | 3746 | – |
Agar | Difco, USA | 214010 | – |
Ammonium ferric citrate (CAF) | Sigma-Aldrich, Germany | 9714 | – |
CaCl2 | Roth, Germany | 5239 | – |
Glucose | Applichem, Germany | A3617 | – |
Glycerol | Roth, Germany | 4043 | – |
K2HPO4 x 3 H2O | Roth, Germany | 6878 | – |
KCl | Applichem, Germany | A3582 | – |
KH2PO4 | Roth, Germany | 3904 | – |
KOH | Roth, Germany | 6751 | – |
MgSO4 x 7 H2O | Roth, Germany | P027 | – |
MnCl2 | Roth, Germany | T881 | – |
MnSO4 x 4 H2O | Merck Millipore, Germany | 102786 | – |
NaCl | Roth, Germany | 9265 | – |
Nutrient broth | Roth, Germany | X929 | – |
Potassium glutamate | Applichem, Germany | A3712 | – |
Tryptone | Roth, Germany | 8952 | – |
Tryptophan | Applichem, Germany | A3445 | – |
Yeast extract | Roth, Germany | 2363 | – |
1.5 ml Reaction tubes | Sarstedt, Germany | 72,690,001 | – |
2.0 ml Reaction tubes | Sarstedt, Germany | 72,691 | – |
15 ml Plastic tubes with screw cap | Sarstedt, Germany | 62,554,001 | – |
Petri dishes | Sarstedt, Germany | 82.1473 | – |
1.5 ml Polystyrene cuvettes | Sarstedt, Germany | 67,742 | – |
15 ml Glass culture tubes | Brand, Germany | 7790 22 | – |
with aluminium caps | |||
100 ml Shake flasks with aluminium caps | Brand, Germany | 928 24 | – |
Sterile 10 ml glass pipettes | Brand, Germany | 278 23 | – |
Incubator (28 and 37 °C) | New Brunswick | M1282-0012 | – |
Standard pipette set (2-20 μl, 10-100 μl, 100-1000 μl) | Eppendorf, Germany | 4910 000.034, 4910 000.042, | – |
4910 000.042, | |||
4910 000.069 | |||
Table top centrifuge for 1.5 and 2 ml reaction tubes | Thermo Scientific, Heraeus Fresco 21, Germany | 75002425 | – |
Table top centrifuge for 15 ml plastic tubes | Heraeus Biofuge Primo R, Germany | 75005440 | – |
Standard spectrophotometer | Amersham Biosciences Ultrospec 2100 pro, Germany | 80-2112-21 | – |
Stereofluorescence microscope | Zeiss SteREO Lumar V12, Germany | 495008-0009-000 | – |
Freezer (-20 and -80 °C) | – | – | – |
Fridge (4 °C) | – | – | – |
Autoclave | Zirbus, LTA 2x3x4, Germany | – | – |
pH meter | pH-meter 766, Calimatic, Knick, Germany | 766 | – |
Vortex | Vortex 3, IKA, Germany | 3340000 | – |
Balance | CP2202S, Sartorius, Germany | replaced by | – |
CPA2202S | |||
Black pen (permanent marker) | Staedler, Germany | 317-9 | – |
Powerpoint program | Microsoft, USA | – | – |
Office Excel program | Microsoft, USA | – | Program for data processing |
Adobe Photoshop CS5 | Adobe, USA | replaced by CS6, download | Computer program for image processing |
Computer | PC or Mac | – | – |
ZEN pro 2011 software for the stereofluorescence microscope | Zeiss, Germany | 410135 1002 110 | AxioCam MRc Rev. Obtained through Zeiss |
Specific solution recipes | |||
SP medium | |||
8 g Nutrient broth | |||
0.25 mg MgSO4 x 7 H2O | |||
1 g KCl | |||
if required, add 15 g agar for solid SP medium | |||
ad 1 l with H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
1 ml CaCl2 (0.5 M), sterilized by filtration | |||
1 ml MnCl2 (10 mM) sterilized by filtration | |||
2 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration | |||
LB medium | |||
10 g Tryptone | |||
5 g Yeast extract | |||
10 g NaCl | |||
if required, add 15 g agar for solid LB medium | |||
ad 1 l with H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
C-Glc minimal medium | |||
200 ml 5 x C salts | |||
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration | |||
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration | |||
10 ml III’ salts | |||
25 ml Glucose (20%), autoclaved for 20 min at 121 °C | |||
ad 1 l with sterile H2O | |||
CE-Glc minimal medium | |||
200 ml 5 x C salts | |||
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration | |||
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration | |||
10 ml III’ salts | |||
20 ml Glutamate (40%) | |||
25 ml Glucose (20%), autoclaved for 20 min at 121 °C | |||
ad 1 l with sterile H2O | |||
5 x C salts | |||
20 g KH2PO4 | |||
80 g K2HPO4 x 3 H2O | |||
16.5 g (NH4)2SO4 | |||
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
III’ salts | |||
0.232 g MnSO4 x 4 H2O | |||
12.3 g MgSO4 x 7 H2O | |||
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
40% Glutamate solution | |||
200 g L-Glutamic acid | |||
adjust the pH to 7.0 by adding approximately 80 g KOH | |||
ad 0.5 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
0.9% Saline (NaCl) solution | |||
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
50% Glycerol solution | |||
295 ml Glycerol (87%) | |||
ad 0.5 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C | |||
Bacteria (All strains are based on the Bacillus subtilis strain 168) | |||
Bacillus subtilis BP40 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-yfp) | Laboratory strain collection | ||
Bacillus subtilis BP41 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-cfp) | |||
Bacillus subtilis BP52 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-cfp) | |||
Bacillus subtilis BP156 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-yfp) |