새 균의 subtilis 의 단일 셀 미세 분석
Summary
우리는 예를 들어 새 균의 subtilis 를 사용 하 여 개별 세균성 세포 계보의 미세 분석 하는 방법을 제시. 메서드를 긴밀 하 게 제어 하 고 균일 한 성장 조건 셀 세대의 수백의 관찰 함으로써 미생물학에 전통적인 분석 방법의 단점을 극복 했다.
Abstract
미세 기술 많은 미생물학에 전통적인 분석 방법에 한계의 극복. 와 달리 대량 문화 방법, 그것은 제공 합니다 단일 셀 해상도 세대;의 수백에 걸쳐 시간 긴 관찰 agarose 패드 기반 현미경과 달리 균일 한 성장 조건에 엄격 하 게 제어 될 수 있다. 성장 매체의 지속적인 흐름 세포 성장 그리고 물질 대사, 본격적인 변화 유전자 발현 및 세포 성장에 대 한 응답에서으로 인 한 현지 화학 환경에서 예측할 수 없는 변화에서 미세 소자에서 셀 분리 하기 때문에 특정 자극을 더 자신 있게 관찰할 수 있습니다. 새 균의 subtilis 사용 “어머니 기계”를 설명 하기 위해 모델 세균성 종으로 여기-세포 분석 방법을 입력. 우리가 생성 및 미세 장치를 수직, 셀 로드, 현미경 이미징, 시작 및 다른 한 성장 매체에서 전환 하 여 세포 자극에 노출 하는 방법을 보여 줍니다. 스트레스 반응 기자가이 방법으로 얻을 수 있는 데이터의 종류를 나타내기 위해 예제로 사용 됩니다. 우리 또한 짧게 실험, 세균 포자 형성의 분석 등의 다른 종류에 대 한이 메서드의 응용 프로그램 추가 설명.
Introduction
지구상의 생명의 가장 눈에 띄는 기능 중 하나는 그것의 큰 탄력성과 다양 한입니다. 분자 생물학의 중앙 목표는 세포를 사용 하 여 유전자와 단백질 그들의 성장 및 다양 한 환경 조건에서 피트 니스를 최대화 하는 논리를 이해 하는 것입니다. 이 위해 과학자 들은 자신 있게 관찰 할 수 있어야 합니다 어떻게 개별 셀 성장 하 고 분할 하 고, 표현 하는 조건의 주어진된 세트에서 그들의 유전자, 세포 그들의 환경에서 이후의 변화에 대처 하는 방법을 지적. 그러나, 미생물학에 전통적인 분석 방법을 해결 될 수 있는 질문의 형식에 영향을 주는 기술적인 한계를가지고. 예를 들어 대량 문화 기반 분석, 년간 매우 유용 되었습니다 아직 의미 있는 셀을 변형 또는 전체 인구에 셀의 작은 부분 모집단의 동작 마스크 수만 인구 수준 데이터를 제공 하는 그들은. 가벼운 현미경 검사 법에 따라 생활 박테리아의 단일 세포 분석 단일 셀 동작을 공개 하지만 기술적으로 제한 되어 있습니다. 박테리아 성장 매체를 포함 하는 agarose 패드에 일반적으로 움직일 수 있지만 셀과 성장 군중 미세한 보기와 실질적으로 제한 하는 관측 시간1, 단지 몇 셀 사이클 후 사용할 수 있는 영양분을 고갈 2. 또한, 영양소의 로컬 고갈 및 셀 증가로 대사 부산물의 수 반하는 상승 끊임없이 측정 또는 예측 하기 어려운 방식으로 지방 세포 성장 환경 변화는. Agarose 패드를 사용 하 여 이러한 환경 변화 연구 또는 특정 변화 성장 조건3에 세포질 응답의 정상 동작에 도전 포즈.
미세 기술, 있는 액체 매체는 ﹙ 장치를 통해 지속적으로 흘러 고전적인 실험 한계에 솔루션을 제공 합니다. 성장 매체의 흐름 끊임없이 신선한 영양소와 세포를 제공 하 고 신진 대사 부산물 및 초과 셀, 매우 균일 한 성장 만드는 씻어 미세 장치 라이브 셀 현미경 검사 법에 대 한 위치에서 개별 셀을 유지할 수 있습니다. 환경입니다. 지속적인 성장 조건에서 셀의 내부 논리에의 한 시 빨리 벗어나게 보기를 허용 하는 환경 요인의 영향에서 고립에서 셀 동작을 관찰할 수 있습니다. 유체 흐름에서 세포 군집 되 고 미세 장치를 방지, 수십 또는 수백 세대에 대 한 단일 세포 계보의 관찰 가능한4,5된다. 이러한 긴 관측 시간 달리 탐지 장기 또는 드문 셀 동작 감지를 허용합니다. 세포는 스트레스의 발병 또는 소개 또는 특정 화합물의 제거 반응으로 관찰 될 수 있도록 마지막으로, 장치를 통해 흐름에 변경 될 수 있는 매체의 구성이 됩니다.
마이크로 이미 중요 한 응용 프로그램의 수를 즐겼다. 예를 들어, 그것은 조직, 기관 또는 몸 온 칩 장치는 여러 인간 세포 유형은는 vivo에서 조건6; 시뮬레이션 공동 경작에 사용 되었습니다. microstructured 환경7; 선 충 운동의 연구에 대 한 (예를 들어, 8); 박테리아 biofilms 간의 상호 작용을 검사 하 캡슐화 및 셀 또는 화학 물질 (예, 9)의 작은 볼륨의 조작에 대 한 고. 미세 장치는 또한 그들의 물리적으로 특히 (대 한 훌륭한 리뷰 참조 10 , 11), 미생물학의 분야에서 점점 인기 되 고 흐름 속성은 자연 미생물 틈새12울린. 예를 들어, 마이크로 최근에 의해 고용 되었다 미생물학 같은 목적을 위해 정확 하 게 측정 하는 셀과 성장13,14,15, 병원 체의 운동16, 분석으로 쿼럼 감지17 및 생리 적 전환18, 모니터링 및 단백질에 대 한 세19, 다른 많은 보기 사이에서. 여기에 제시 된 방법은 긴장 또는 종의 조합 보다는 오히려 단일 세균성 세포 계보의 분석을 위해 특별히 설계 되었습니다. 여기 설명 미세 장치 활용 한 변형 “어머니 기계” 디자인4, 셀 단일 파일을 재배는 닫힌된 한쪽과 한쪽 오픈; 미세 트렌치 내 세포 성장 및 사단 푸시합니다 자손 세포 오픈 엔드에서 유체 흐름으로. 우리의 분석은 일반적으로 골짜기의 닫힌된 끝에 국한 “어머니” 세포에만 초점. 우리는 이전 가벼운 현미경 검사 법 기반 단일 셀 분석 기법, 셀 immobilization agarose 패드에 등 위에 전진으로이 메서드를 고려합니다. B. subtilis 여기 모델 사용 된다, 방법은 또한 다른 세균 종에 적용 (대장균 다른 일반적인 모델 이며 다른 셀 크기 또는 형태학 일부 종 신제품의 제조를 요구할 수 있습니다 다른 치수)와. 셀을 표시 하 고 시각화 유전자 발현에 변화를 형광 기자 사용 하려면 유전자 온순한 종;의 사용 그러나, 세포 성장 및 형태학의 분석은 형광 마커 없이 가능.
현재 프로토콜 사용 하 여 사진 평판, 다른 곳에서 광범위 하 게 설명 되었습니다5; 실리콘 마스터를 조작 하는 과정 제외 마스터 제작 시설에서 쉽게 아웃소싱 수 있습니다. PDMS 장치 강화 실리콘 마스터;에서 성형을 포함 하 고 있습니다. 커버 유리;의 장치 결합 중간 스위칭; 허용을 포함 한 핀치 밸브 미세 입구 및 출구 배관 조립, 장치 passivating 세균성 세포를 준비 하 고 세균성 세포; 장치 로드 장치에 배관 및 평형 셀; 그리고 영상에 대 한 형광 현미경에 장치를 로드. 때문에 많은 다른 이미지 수집 및 처리 소프트웨어 시각화 하 고 관심4,5의 다른 데이터 분석 도구를 사용할 수 있습니다, 예를 들어 이미지 표시 됩니다, 하지만 이미지 캡처 방법이이 프로토콜에 포함 되지 않습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 마이크로 프로토콜이입니다 유연한 많은 단계 특정 종 또는 스트레인 또는 특정 목적에 대 한 그것의 사용을 최적화 하기 위해 변경 될 수 있습니다. 실제로,이 프로토콜에 우리는 원래 “어머니 기계” 개념4 B. subtilis와 함께 그것의 사용을 최적화 하기 위해 수정을 만들었습니다. 종종, 셀 수감 된다 참호 반면이 프로토콜 사용 하 여 2 층 셀 참호, 셀을 둘러싼 얕은 채널 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 프로젝트는 GM018568에서 건강의 국가 학회에 의해 투자 되었다. 이 프로토콜 수행 되었다 일부 센터에서 대 한 나노 시스템 (CNS), 구성원의는 국가 나노기술 조정 인프라 네트워크 (NNCI), NSF 보너스 번호 1541959에서 국립 과학 재단에 의해 지원 되는. CNS는 하버드 대학교의 일부입니다. 많은 감사 토마스 노먼과 네이 선 주 님 마음속 고 여기 고 기구의 원래 버전을 건물에 표시 된 장치를 위해 사용 하는 마스터 템플릿을 조작에 그들의 작품에 대 한 있습니다. 우리는 또한 그의 귀중 한 공동 조언을 요한 Paulsson 감사 하 고 그들의 조언과 세균 미세 기구를 지속적인된 개선에 대 한 그의 실험실의 구성원 감사.
Materials
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | (240)4019862 | This is referred to as PDMS in the protocol. There are 2 components that are mixed at a 10:1 ratio |
| 0.75-mm biopsy punch | World Precision Instruments | 504529 | |
| 22 x 40 mm No. 1.5 cover glass | VWR | 48393 172 | |
| Plasma Etch PE-50 | Plasma Etch Inc. | PE-50 | Instrument used to bond PDMS to glass using oxygen plasma treatment |
| Tygon flexible tubing ID 0.02", OD 0.06" | Saint-Gobain PPL Corp. | AAD04103 | For the main part of the tubing, e.g. attached to the needles |
| Silicone Tubing, 0.04" ID, 0.085" OD | HelixMark Standard Silicone Tubing | 60-795-05 | For pinch valves and Y-junction connection |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7906-100G | Used as passivation agent |
| ART Gel Pipet Tips (P200) | Molecular BioProducts | 2155 | For loading the device with medium and cells |
| Acrodisc 32-mm syringe filter with 5-μm Supor membrane | Pall Life Sciences | 4560 | For filtering cultures before device loading |
| 21-ga blunt needles, 1" | McMaster-Carr | 75165A681 | |
| Y connector with 200-series barbs, 1/16" ID tubing, polypropylene | Nordson Medical | Y210-6005 | The company is AKA Value Plastics |
| Eclipse Ti-E inverted microscope | Nikon | This unit has been discontinued by the manufacturer and is replaced by the Ti 2 E. | |
| LB Lennox | Sigma-Aldrich | L3022 | |
| Microfuge 18 | Beckman Coulter | 367160 | |
| Bacillus subtilis strain NCIB3610 | Bacillus Genetic Stock Center | 3A1 | wild-type parental strain modified for use in the experiments shown in this protocol |
| Gravity convection oven | VWR | 414005-106 | for curing PDMS and baking assembled devices |
| Scotch-Weld Epoxy Kit | 3M | 2216 B/A | may be used to bond a silicon wafer to an aluminum backing plate |
| Scotch Magic tape, 3/4" width | 3M | to clean dust from PDMS devices and to place over features to increase visibility (denoted "office tape" or "adhesive tape" in protocol) | |
| Stereomicroscope | Nikon | SMZ800N | listed here as an example; nearly any stereomicroscope will do |
| Isopropyl alcohol | Sigma-Aldrich | W292907 | To clean cover glass |
| Syring pump, 6 channel | New Era Pump Systems Inc. | NE-1600 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34120 | a brand of dust-free wipes |
References
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