Caracterização biofísica das funções Flagellar motor
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
motores flagelares permitir que as células para nadar girando filamentos extracelulares helicoidais. A quantidade de torque do motor pode gerar para um dado comprimento do flagelo (isto é, a carga viscosa) determina as velocidades de natação. Por outro lado, a sua capacidade de mudar o sentido de rotação controla a migração celular em resposta a produtos químicos, um processo conhecido como quimiotaxia. Quimiotaxia e motilidade sendo fatores de virulência 1-3, motores flagelares foram bem caracterizado ao longo dos anos 4. Evidências crescentes agora sugere que o motor actua como um mechanosensor – lo mecanicamente detecta a presença de substratos sólidos 5,6. Esta capacidade provável ajuda no desencadeamento de colonização superfície e infecções 5,7. Como resultado, os mecanismos pelos quais o motor sentidos superfícies e iniciados de sinalização são de importância 8,9.
O motor flagelar pode ser facilmente estudado por amarrar o flagellhum a um substrato e observando a rotação celular. Esta operação foi primeiramente alcançada por Silverman e Simon, que trabalhou com um mutante polyhook em E. coli e ganchos ligados com sucesso para substratos de vidro com anticorpos anti-gancho 10. O ensaio de célula tethered permitiu aos investigadores a estudar as respostas de o interruptor do motor a uma variedade de estímulos químicos. Por exemplo, Segall e co-trabalhadores quimicamente estimulado células conectada com o auxílio de pipetas iontoforéticos. As alterações correspondentes no viés CW (a fração dos motores tempo de rotação no sentido horário, CW) lhes permitiu medir a cinética de adaptação na rede quimiotaxia 11,12. Enquanto o ensaio de células tethered foi eficaz em estudar respostas de switch, ele só foi capaz de oferecer insights sobre a mecânica do motor através de uma gama limitada de cargas viscosos 13. Para ultrapassar este problema, Ryu e colaboradores tethered esféricas, esferas de látex de filamento topos sobre as células presas às superfícies. Os grânulos eramentão rastreados usando interferometria de back-focal com fracos armadilhas ópticas 14. Ao trabalhar com contas de diferentes tamanhos, os pesquisadores poderiam estudar o motor ao longo de uma gama muito maior de cargas. Este ensaio foi posteriormente melhorado por Yuan e Berg, que desenvolveu uma técnica de talão-de rastreamento baseado photomultiplier combinada com iluminação a laser de campo escuro. Seu método de rastreamento habilitado de nanobeads tethered de ouro que foram tão pequena (~ 60 nm) que as resistências viscosos externos foram menores em comparação com as resistências viscosos internos para rotação 15,16. Isto conduziu às medições das velocidades máxima alcançável em E. coli (~ 300 Hz). Em V. alginolyticus, ensaios talão semelhantes permitiu medições das taxas de fiação em cargas intermédias viscosos (~ 700 Hz) 17. Ao permitir que as medições de respostas motoras ao longo de toda a gama possível de cargas viscoso (a partir de zero a carga de quase-box), os ensaios de Bead-forneceu uma ferramenta importante para compreender a biofísica tprocesso orque geração 18,19.
Recentemente, nós modificamos o ensaio Yuan-Berg para incluir pinças ópticas que nos permitiram aplicar estímulos mecânicos precisos para motores individuais 6. Usando esta técnica, nós mostramos que a força-geradores que giram o motor são mechanosensors dinâmicos – eles remodelar em resposta às mudanças nas cargas viscosos. É possível que tal sensor de carga provoca a diferenciação de células em bactérias enxame, embora os mecanismos permanecem obscuros. Também é provável que os motores flagelares em outras espécies também são mechanosensitive 20, apesar de evidência directa que falta. Aqui, discutimos a abordagem baseada em fotomultiplicador (PMT) para acompanhar a rotação de esferas de látex amarrados a filamentos de flagelar 15. Em comparação com o acompanhamento com câmeras ultra-rápidos, o fotomultiplicador-setup é vantajoso porque é relativamente simples para rastrear esferas individuais em tempo real e mais longa durações. É particularmente útil quando se estuda a longo tempo remodelação em complexos motor flagelar devido a estímulos do meio ambiente 21. Embora nós detalhe protocolos específicos para E. coli, que pode ser facilmente adaptado para estudar motores flagelares em outras espécies.
Protocol
Representative Results
Discussion
A fim de facilitar tethered talão de rastreamento e estimativa correcta do motor-torques, as seguintes informações devem ser revistos. Ao realizar essas medições com células flageladas, corte é um passo crítico. Cisalhamento reduz o filamento flagelar a um mero topo, assegurando desse modo que a carga no motor viscoso é predominantemente devido ao cordão e pode ser estimado dentro de erro de 10% 16. Shearing também melhora as chances de encontrar trajetórias circulares com excentricidades bem dist…
Divulgations
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 |
References
- Emody, L., Kerenyi, M., Nagy, G. Virulence factors of uropathogenic Echerichia coli. Int J Antimicrob. Ag. 22, 29-33 (2003).
- Lane, M. C., et al. Role of motility in the colonization of uropathogenic Escherichia coli in the urinary tract. Infect Immun. 73 (11), 7644-7656 (2005).
- Kao, C. Y., et al. The complex interplay among bacterial motility and virulence factors in different Escherichia coli infections. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 33 (12), 2157-2162 (2014).
- Berg, H. C. The rotary motor of bacterial flagella. Annu Rev Biochem. 72, 19-54 (2003).
- McCarter, L., Hilmen, M., Silverman, M. Flagellar Dynamometer Controls Swarmer Cell Differentiation of V. parahaemolyticus. Cell. 54 (3), 345-351 (1988).
- Lele, P. P., Hosu, B. G., Berg, H. C. Dynamics of mechanosensing in the bacterial flagellar motor. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (29), 11839-11844 (2013).
- Gode-Potratz, C. J., Kustusch, R. J., Breheny, P. J., Weiss, D. S., McCarter, L. L. Surface sensing in Vibrio parahaemolyticus triggers a programme of gene expression that promotes colonization and virulence. Mol Microbiol. 79 (1), 240-263 (2011).
- Kearns, D. B. A field guide to bacterial swarming motility. Nat Rev Microbiol. 8 (9), 634-644 (2010).
- Belas, R. Biofilms, flagella, and mechanosensing of surfaces by bacteria. Trends Microbiol. 22 (9), 517-527 (2014).
- Silverman, M., Simon, M. Flagellar rotation and the mechanism of bacterial motility. Nature. 249, 73-74 (1974).
- Block, S. M., Segall, J. E., Berg, H. C. Adaptation Kinetics in Bacterial Chemotaxis. J Bacteriol. 154 (1), 312-323 (1983).
- Segall, J. E., Block, S. M., Berg, H. C. Temporal comparisons in bacterial chemotaxis. Proc Natl Acad Sci U S A. 83, 8987-8991 (1986).
- Blair, D. F., Berg, H. C. Restoration of torque in defective flagellar motors. Science. 242 (4886), 1678-1681 (1988).
- Ryu, W. S., Berry, R. M., Berg, H. C. Torque-generating units of the flagellar motor of Escherchia coli have a high duty ratio. Nature. 403, 444-447 (2000).
- Yuan, J., Berg, H. C. Resurrection of the flagellar rotary motor near zero load. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (4), 1182-1185 (2008).
- Yuan, J., Fahrner, K. A., Berg, H. C. Switching of the bacterial flagellar motor near zero load. J Mol Biol. 390 (3), 394-400 (2009).
- Sowa, Y., Hotta, H., Homma, M., Ishijima, A. Torque-speed Relationship of the Na+-driven Flagellar Motor of Vibrio alginolyticus. J Mol Biol. 327 (5), 1043-1051 (2003).
- Xing, J., Bai, F., Berry, R., Oster, G. Torque-speed relationship of the bacterial flagellar motor. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (5), 1260-1265 (2006).
- Meacci, G., Tu, Y. Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (10), 3746-3751 (2009).
- Lele, P. P., Roland, T., Shrivastava, A., Chen, Y. H., Berg, H. C. The flagellar motor of Caulobacter crescentus generates more torque when a cell swims backwards. Nat Phys. 12 (2), 175-178 (2016).
- Lele, P. P., Shrivastava, A., Roland, T., Berg, H. C. Response thresholds in bacterial chemotaxis. Sci Adv. 1 (9), e1500299 (2015).
- Berg, H. C., Turner, L. Torque Generated by the Flagellar Motor of Escherichia coli. Biophys J. 65, 2201-2216 (1993).
- Bai, F., et al. Conformational Spread as a Mechanism for Cooperativity in the Bacterial Flagellar Switch. Science. 327, 685-689 (2010).
- Reid, S. W., et al. The maximum number of torque-generating units in the flagellar motor of Escherichia coli is at least 11. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 8066-8071 (2006).
- Chen, X., Berg, H. C. Torque-Speed Relationship of the Flagellar Rotary Motor of Escherichia coli. Biophys J. 78, 1036-1041 (2000).
- Turner, L., Caplan, S. R., Berg, H. C. Temperature-induced switching of the bacterial flagellar motor. Biophys J. 71, 2227-2233 (1996).
