Methodologieën voor het bestuderen<em> B. subtilis</em> Biofilms als een model voor het karakteriseren van Small Molecule biofilminhibitoren

Summary

This study presents the development of reproducible methodologies to study biofilm inhibitors and their effects on Bacillus subtilis multicellularity.

Abstract

This work assesses different methodologies to study the impact of small molecule biofilm inhibitors, such as D-amino acids, on the development and resilience of Bacillus subtilis biofilms. First, methods are presented that select for small molecule inhibitors with biofilm-specific targets in order to separate the effect of the small molecule inhibitors on planktonic growth from their effect on biofilm formation. Next, we focus on how inoculation conditions affect the sensitivity of multicellular, floating B. subtilis cultures to small molecule inhibitors. The results suggest that discrepancies in the reported effects of such inhibitors such as D-amino acids are due to inconsistent pre-culture conditions. Furthermore, a recently developed protocol is described for evaluating the contribution of small molecule treatments towards biofilm resistance to antibacterial substances. Lastly, scanning electron microscopy (SEM) techniques are presented to analyze the three-dimensional spatial arrangement of cells and their surrounding extracellular matrix in a B. subtilis biofilm. SEM facilitates insight into the three-dimensional biofilm architecture and the matrix texture. A combination of the methods described here can greatly assist the study of biofilm development in the presence and absence of biofilm inhibitors, and shed light on the mechanism of action of these inhibitors.

Introduction

Multi-cellulaire bacteriële gemeenschappen spelen een belangrijke rol in natuurlijke en anthropogene omgevingen, en kan nuttig of zeer schadelijk zijn. Deze meercellige kolonies bekend als biofilms, waarbij de afzonderlijke cellen zijn ingebed in een zelf geproduceerde extracellulaire polymere stoffen (EPS) matrix. De EPS sterk hechten de cellen aan het oppervlak ze koloniseren. Ze dienen als een schild tegen mechanische en chemische krachten en het creëren van nauw contact tussen naburige cellen, cellulaire communicatie ^{1 te} vergemakkelijken. Een biofilm kan worden gezien als een gedifferentieerd gemeenschap, waar de cellen in hoge mate gebruik gereguleerd, georkestreerd processen om hun activiteiten binnen de gemeenschap te coördineren, evenals verschillende diersoorten ^2-5. De overgang van een plankton, vrijlevende modus van de groei van een biofilm toestand wordt vaak geassocieerd met ontwikkelingsprocessen. Een goed voorbeeld is de Gram-positieve bodem bacterie Bacillus subtilis, en dus een undomesticated stam dient als een robuust model organisme om de ontwikkelingsfasen die leiden tot de vorming van biofilm te bestuderen. In deze bacterie, beweeglijke cellen zichzelf te organiseren in het oog springende meercellige structuren die gespecialiseerde taken ⁴ uit te voeren. Een groep cellen, de matrix-producenten uitscheiden exopolysaccharides ^6, het amyloïde proteïne TASA ^7,8 en de oppervlaktehydrofobiciteit eiwit BSLA ^9,10; die allemaal deelnemen aan de vergadering van de EPS ^11-13.

Gezien de overvloed van biofilms in natuurlijke en antropogene niches en de vermeende fatale schade die ze kunnen veroorzaken, is er dringend behoefte aan manieren om hun vorming te voorkomen vinden. Kleinmoleculige remmers kunnen helpen bij het ontdekken van nieuwe regulatorische ketens, enzymen en structurele eiwitten betrokken bij biofilmvorming, en daardoor inzicht in de complexe processen van meercellige Gemeenschapsopbouw promoten. Zoals B. subtilis is een goed bestudeerde model voor biofilmvorming ^14,15, kan het worden gebruikt om de effecten van verschillende biofilminhibitoren beoordelen. Deze studie behandelt vier fundamentele methoden die sleutel voor het evalueren van de respons van biofilms te klein molecuul-remmers zijn. Eerst, zodat deze remmers een biofilm-specifiek doel, de afscheiding van het effect op plankton groei en het effect op biofilmvorming kritisch. De meeste antibacteriële middelen richten op cellen in hun planktonische groeifase, maar moleculen die de biofilm levensstijl richten op zijn zeldzaam. Bovendien, zoals moleculen die geen invloed plankton groei niet toxisch, ze kunnen de selectiedruk begunstiging antibiotica resistente mutanten ¹⁶ verminderen. Wanneer bijvoorbeeld biofilms worden behandeld met D-aminozuren of bepaalde andere celwand storende moleculen, ze ofwel verstoord of gedemonteerd, maar deze inhibitoren slechts licht beïnvloeden planktonische groei ^12,17. Daarentegen veel antibiotica drastisch beïnvloeden plankton groei, aan little of geen effect op biofilmvorming ^17.

Ten tweede, de oprichting van een consistent en robuust experimenteel kader om het effect van de kleine moleculen te bestuderen is cruciaal. We zagen dat het werkzame concentratiebereik van kleine molecule inhibitoren was gevoelig voor de voorkweek omstandigheden en de experimentele opstelling gebruikt om het effect van deze kleine molecule inhibitoren bestuderen. Verschillende rapporten, met name bestuderen B. subtilis onthulde variaties in het concentratietraject waarbij D-aminozuren remmen de vorming van pellicles – de drijvende bacteriële biofilms ^12,17-19. De hier gepresenteerde resultaten suggereren dat de volgende factoren verantwoordelijk zijn voor verschillen in de actieve concentratiegebied: de pre-kweekomstandigheden (logaritmische ^12,17 versus late stationaire groeifase ^20), het gebruikte groeimedium in de pre-kweekomstandigheid (rijk, undefined [Luria bouillon, LB] versus gedefinieerd [mononatriumglutamaatglycerol, MSgg]), de verhouding inoculatie het bijzonder het verwijderen van de pre-kweekmedium voor enting. De temperatuur van statische huidje groei vertoonden een minder belangrijke rol in het activiteitsgebied van de kleine molecule inhibitor D-leucine, representant D-aminozuur gebruikt in deze studie.

Tenslotte, zodra de biofilms worden behandeld met specifieke biofilm remmers, robuuste en informatief zijn vereist om de effecten van deze inhibitoren op biofilm fitness karakteriseren. Hier twee methoden onafhankelijk karakteriseren van het effect van kleine molecule inhibitoren worden beschreven: (1) Het effect op individuele cellen binnen een biofilm kolonie en hun resistentie tegen antimicrobiële agentia. Cellen in biofilms algemeen beter bestand tegen antibiotica vergeleken met vrijlevende bacteriën ^21-23. Hoewel dit fenomeen multifactorieel, werd het vermogen van de EPS antibiotische penetratie beperken vaak beschouwd als een aantrekkelijke verklaring ²⁴ </sup>. Deze methode beoordeelt de overleving van vooraf vastgestelde biofilm cellen na blootstelling aan antibacteriële stoffen. (2) Het effect op de biofilm kolonie architectuur van de grote tot de kleine schaal. Biofilm kolonies worden gekenmerkt door hun driedimensionale structuur en de aanwezigheid van de EPS. Gebruik scanning elektronenmicroscopie, kunnen veranderingen in de celmorfologie, biofilm kolonie structuur en architectuur en overvloed van het EPS worden gevisualiseerd door de grote (mm) de kleine schaal (micrometer).

Protocol

1. beoordeling van het effect van kleine molecule inhibitoren op Pellicle en biofilm Colony Formation Bereid een 2x oplossing van toegezegde biofilm inducerende MSgg medium 25 zonder calciumchloride en ijzer (III) chloride hexahydraat. Na filter sterilisatie, voeg de calciumchloride. Het medium is direct gereed en kan bij 4 ° C worden bewaard in het donker. Maak de 1x MSgg verdunning op de dag van het experiment. Verdun het 2x MSgg medium tot 1x met steriel gedestilleerd water (…

Representative Results

Het vlies test is een methode om de sterk gereguleerd en dynamische processen te bestuderen B. subtilis multicellulariteit. Daarnaast wordt het vlies assay geschikt voor een reeks van ofwel pre-startersvoorwaarden of klein molecuul concentraties getest in een enkele celkweek multidish plaat in één experiment. Echter, B. subtilis pellicule formatie is gevoelig voor de voorkweek omstandigheden (bijvoorbeeld groeimedium van de voorkweek en groeifase), de inoculatie verhouding en het verwijderen…

Discussion

Bacillus subtilis vormen robuust en zeer gestructureerd biofilms zowel in vloeibare (pellicles) en op vast medium (kolonies). Daarom dient het als een ideaal model organisme met het werkingsmechanisme van bepaalde biofilminhibitoren karakteriseren. Op vaste media, cellen vormen meercellige structuren met onderscheidende kenmerken die niet duidelijk in pellicles, zoals rimpels straalt van het centrum naar de rand. Zo pellicles en kolonies zijn complementair systemen om B. te studeren subtilis m…

Materials

Luria Broth, Lennox	Difco	240230
Bacto Agar	Difco	214010
potassium phosphate monobasic	Sigma, 136.09 g/mol	P0662-500G
potassium phosphate dibasic	Fisher Scientific, 174.18 g/mol	BP363-1
3-(N-morpholino)propanesulfonic acid	Fisher Scientific, 209.27 g/mol	BP308-500
magnesium chloride hexahydrate	Merck, 203.30 g/mol	1.05833.0250
calcium chloride anhydrous	J.T. Baker, 110.98 g/mol	1311-01
manganese(II) chloride tetrahydrate	Sigma, 197.91 g/mol	31422-250G-R
iron(III) chloride hexahydrate	Sigma, 270.30 g/mo)	F2877-500G
zinc chloride anhydrous	Acros Organics, 136.29 g/mol	424592500
thiamine hydrochloride	Sigma, 337.27 g/mol	T1270-100G
L-tryptophan	Fisher Scientific, 204.1 g/mol	BP395-100
L-phenylalanine	Sigma, 165.19 g/mol	P5482-100G
L-threonine	Sigma, 119.12 g/mol	T8625-100G
glycerol anhydrous	Bio-Lab Itd	712022300
L-glutamic acid monosodium salts hydrate	Sigma, 169.11 g/mol	G1626-1KG
D-leucine	Sigma, 169.11 g/mol	855448-10G
ethanol anhydrous	Gadot	830000054
razor blade	Eddison	NA
circular cellulose filter papers	Whatman, 90 mm	1001-090
glutaraldehyde	EMS (Electron Micoscopy Science), 25% in water	16220
paraformaldehyde	EMS, 16% in water	15710
sodium cacodylate	Merck, 214.05 g/mol	8.2067
calcium chloride 2-hydrate	Merck, 147.02 g/mol	1172113
stub-aluminium mount	EMS, sloted head	75230
carbon adhesive tape	EMS	77825-12
Shaker 37°C	New Brunswick Scientific Innowa42	NA
Centrifuge	Eppendorf table top centrifuge 5424	NA
Digital Sonifier, Model 250, used with Double Step Microtip	Branson	NA
Incubator 30 °C	Binder	NA
Incubator 23 °C	Binder	NA
Filter System, 500 ml, polystyrene	Cornig Incorporated	NA
Rotary Shaker – Orbitron Rotatory II	Boekel	NA
S150 Sputter Coater	Edwards	NA
CPD 030 Critical Point Dryer	BAL-TEC	NA
Environmental Scanning Electron Microscope	XL30 ESEM FEG Philips (FEI)	NA