In Situ Caratterizzazione di Shewanella oneidensis MR1 biofilm di SALVI e ToF-SIMS

Summary

Questo articolo presenta un metodo per la coltivazione di un biofilm per in situ spettrometria totale di ione secondaria tempo di volo per la mappatura chimica allo stato idratato, attivata da un reattore di microfluidica, sistema per analisi presso l’interfaccia liquida di vuoto. Shewanella oneidensis MR-1 con proteine di fluorescenza verde è stato usato come modello.

Abstract

Biofilm batterici sono comunità di superficie-collegati che sono ampiamente studiata per capire la loro auto-prodotti sostanze polimeriche extracellulari (EPS) e i loro ruoli in microbiologia ambientale. Questo studio descrive un metodo per coltivare biofilm allegato al sistema per l’analisi all’interfaccia liquido di vuoto (SALVI) e raggiungere in situ chemical mapping di un biofilm vivente mediante spettrometria di massa di ioni secondari di tempo di volo (ToF-SIMS). Questo viene fatto attraverso la coltura di batteri sia all’esterno che all’interno del canale SALVI con la nostra installazione specializzata, nonché attraverso tecniche di imaging ottici per rilevare la presenza di biofilm e spessore prima analisi ToF-SIMS. I nostri risultati mostrano picchi caratteristici del biofilm Shewanella nel suo stato naturale idrata, evidenziando al suo ambiente cluster d’acqua localizzate, come pure di EPS frammenti, che sono drasticamente diversi di biofilm stesso disidratato stato. Questi risultati dimostrano la capacità di innovazione di SALVI che permette per l’imaging di biofilm in situ con uno strumento di imaging chimico basati su vuoto.

Introduction

Biofilm batterici sono comunità di superficie-associati che si sono evolute nel tempo come una difesa per i batteri di sopravvivere variando negativi stimoli fisici e meccanici, in cui le cellule sono in grado di allegare e sopravvivere in molti ambienti possibili. ^{1 , 2} i biofilm sono ampiamente studiati e hanno applicazioni in molti campi quali la biomedicina, ingegneria biomedica, l’agricoltura e ricerca industriale e sviluppo. ^{1 , 2} comprendere la mappatura chimica di queste comunità microbiche complesse, tra cui loro autoprodotti sostanze polimeriche extracellulari (EPS) e il loro ambiente di cluster di acqua locale, è essenziale per ottenere un’accurata e dettagliata rappresentazione della loro attività biologica. ²

Biofilm esistano e crescono all’interno di uno stato altamente idratato. Questo presenta una grande sfida nell’utilizzo di tecniche di analisi delle superfici basate su vuoto come spettrometria di massa di ioni secondari di tempo di volo (ToF-SIMS) dovuto la difficoltà nello studio liquidi volatili nel vuoto. Di conseguenza, tecniche di analisi delle superfici basate su vuoto sono stati limitati quasi esclusivamente a studiare campioni di biofilm al solo allo stato secco. Tuttavia, studiando un biofilm nel suo stato essiccato inibisce l’indagine accurata del suo microambiente biologico vero. Causa spesso drastici cambiamenti alla morfologia EPS integrità e biofilm, che è stata dimostrata dopo aver confrontato i risultati spettrali di massa secca biofilm agli studi in situ di liquido. ^{3 , 4} questo articolo presenta una soluzione per lo studio di biofilm nel loro naturale stato idratato impiegando l’uso del nostro sistema per l’analisi a liquido vuoto interfaccia (SALVI),^5,6 un reattore microfluidici che contiene liquido sotto la sua membrana di nitruro (SiN) di silicio sottile in un microchannel di polidimetilsilossano (PMD), fornendo così accesso diretto per il fascio di ioni secondari sonda pur mantenendo l’integrità strutturale della matrice liquida all’interno di un vuoto camera. ^{7 , 8}

S. oneidensis MR-1 mutato per esprimere proteine di fluorescenza verde (GFP) è stato scelto come organismo modello per questa illustrazione di procedura di biofilm grazie alla sua versatilità metabolica e di uso comune in microbiologia applicata ed ambientale, che è stato basato pesantemente sulla sua capacità uniche per la riduzione del metallo e trasferimento di elettroni extracellulare. ^{9 , 10 , 11} inoltre, la presenza di GFP ammessi per facile biofilm-spessore continuo monitoraggio mediante microscopia a fluorescenza, utilizzando un filtro di fluoresceina isotiocianato (FITC). Nostri studi precedenti hanno indicato la prova di questo batterio favorendo allegato alla finestra peccato utilizzando l’imaging di fluorescenza in operando per la crescita di biofilm ad uno spessore di fino a 100 micrometri. ^{4 , 12} mentre questa carta discuterà solo la conferma della presenza di biofilm attraverso microscopia di fluorescenza, la SALVI è compatibile con altri metodi di imaging ottici come super-resolution imaging di fluorescenza (cioè, illuminazione strutturata microscopia (SIM)⁹) e laser confocale microscopia (CLSM)⁴di imaging). Imaging ottico può servire per misurare lo spessore del biofilm e ottenere un’immagine 3D di, la forma del biofilm come appare, confermando il suo spessore ed il suo attaccamento alla finestra di peccato. ⁹ mentre GFP è stato utilizzato nell’analisi SIMS, s. oneidensis senza GFP è stato usato per la curva di crescita, come questa unica misura necessaria della densità ottica e non richiede alcuna formazione immagine fluorescente. Generalmente, la differenza tra la GFP taggati e senza tag specie nella curva di crescita è insignificante. Inoltre, mentre questo protocollo utilizza S. oneidensis MR-1 GFP come organismo modello per descrivere la procedura, questa procedura è stata progettata per qualsiasi ceppo batterico che può essere necessaria per la coltivazione all’interno di SALVI. Anche se, data la conoscenza del ceppo batterico necessario, alcune condizioni di crescita come tempo, temperatura e ossigeno ambiente potrebbero essere necessario essere modificati per accogliere il ceppo di batteri per essere utilizzato. Per mezzo di crescita, questa procedura utilizza il brodo di soia medio, Trittico “nanofili” (TSB) senza destrosio e tryptic soy agar (TSA) senza destrosio per la coltura. La composizione del mezzo “nanofili” è stato appositamente formulata per la crescita e per il monitoraggio delle estensioni della membrana e Periplasma di S. oneidensis che sembrano prendere la forma di piccoli fili e la composizione media è stata stabilito nella precedente ricerca. ^{13 , 14}

Il nostro protocollo precedente su in situ liquido ToF-SIMS ha illustrato il beneficio che SALVI ha da offrire per immobilizzazione della proteina e l’attaccamento al peccato, come pure un protocollo dettagliato sulla riduzione dei dati e analisi ToF-SIMS. ¹² piuttosto che ripetere passaggi di riduzione dei dati, questa carta servirà invece focalizzare l’approccio unico di impostazione e coltivando i biofilm all’interno nostro microchannel SALVI, come pure i passaggi imaging per rilevare la presenza di biofilm e spessore preventivo per l’analisi ToF-SIMS. Mentre biofilm sono stati precedentemente limitati solo asciugato campioni all’interno della camera di vuoto-base superficie tecniche analitiche, EPS e biofilm chimica mappatura dettagliata di biofilm live possa ora essere ottenuto in situ a causa di questa nuova funzionalità.

Protocol

1. preparazione dei materiali Preparazione di Medium tubi bottiglie di siero (uno per ogni cultura di biofilm e tre per ogni curva di crescita) Nota: come accennato nell’introduzione, qualsiasi crescita mezzo adatto a fornire i nutrienti necessari per il ceppo di batteri di interesse può essere utilizzato per questa procedura; in questo caso, " nanofili " media e TSB senza supporto di destrosio è stato utilizzato per la crescita di S. oneidensis MR-1 GFP. <sup …

Representative Results

Questi risultati rappresentativi servono a mostrare come il profilo chimico del biofilm allegato può essere identificato e interpretato, come ottenuta attraverso ToF-SIMS. Dopo aver tracciato spettri di massa da acquisizione dati ToF-SIMS, brevemente evidenziato nella sezione procedure, identificazione del picco dovrebbe essere condotta al fine di assegnare le identità di ogni valore rispettivo m/z. Questo può essere fatto attraverso la revisione di una vasta letteratura sulla spettrom…

Discussion

Dopo inoculando in ritardo-fase, è importante verificare il numero di giorni e la temperatura alla quale il biofilm dovrebbe crescere prima che sia sano e abbastanza spessa per imaging, come descritto al punto 3.1. Questa procedura riguarda in particolare la coltura di un S. oneidensis MR1 biofilm a temperatura ambiente; Tuttavia diverse temperature ambiente possono influenzare il tasso di crescita. Pertanto, è fondamentale utilizzare imaging ottico per capire se il biofilm è pronto prima di procedere all’analisi ToF-…

Materials

ToF-SIMS	IONTOF	TOF.SIMS 5	Resolution:>10,000 m/Δm for mass resolution;>4,000 m/Δm for high spatial resolution
System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI)	Pacific Northwest National Laboratory	N/A	SALVI is a unique, self-contained, portable analytical tool that, for the first time, enables vacuum based scientific instruments such as time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) to analyze liquid surfaces in their natural state at the molecular level.
-80°C Freezer	New Brunswick Scientific	N/A	U410 Premium Energy Efficient Ultra-Low Temperature Freezer
4°C Refrigerator	BioCold Scientific	N/A	COLDBOX1
Orbital Shaker	New Brunswick Scientific	N/A	Innova 4900 Multi-Tier Environmental Shaker, set at 30 degrees Celsius for serum bottle and flask culturing, set at 150rpm.
Syringe Pump	Cole-Parmer	EW-74905-02	Cole-Parmer Syringe Pump, Infusion Only, Touchscreen Control 74905-02, used for injecting liquid into the tubing system and SALVI at a constant flowrate.
Incubator	Barnstead International	LT1465X3	Lab-Line incubator, set at 30 degrees Celsius for plate culturing.
Autoclave	Getinge	533LS	Used to sterilize PEEK fittings, tubing systems, serum vials, and medium. Model 533LS Vacuum Steam Sterilizer
Spectrophotometer	Thermo Fisher Scientific	4001-000	GENESYS 20 spectrophotometer for OD600 readings of cuvettes for growth curves.
Biological Safety Cabinet	Thermo Fisher Scientific	1385	1300 Series AZ Biological Safety Cabinet
Fluorescence Microscope	Nikon	N/A	Nikon OPTIPHOT-2 fluorescence microscope with camera and super high pressure mercury lamp power supply.
pH Meter	Mettler Toledo	51302803	Used to test the pH of the “nanowires” medium after finished and before autoclaving.
PEEK Union	Valco	ZU1TPK	For connecting the inlet and outlet of SALVI, the syringe to the tubing system, and the inlet of the SALVI to the drip chamber of the tubing system.
5 Axes Sample Stage	IONTOF	N/A	Stage is self-made for mounting SALVI in ToF-SIMS.
Barnstead Nanopure Water Purification System	Thermo Fisher Scientific	D11921	ROpure LP Reverse Osmosis filtration module (D2716)
Pipette	Thermo Fisher Scientific	21-377-821	Range: 100 to 1,000 µL.
Pipette Tip	Neptune	2112.96.BS	1,000 µL pipette tips
Razor Blade Handle	Stanley	N/A	Stanley Bostitch Razor Blade Scraper with 5 Single-Edge Blades, used for cutting PTFE tubing
Syringe	BD	309659	1 mL
Syringe	BD	309657	3 mL
Syringe	BD	309646	5 mL; Used for making the drip chamber
Syringe	BD	309604	10 mL
Syringe	BD	302830	20 mL
Disposable Pipette	Thermo Fisher Scientific	13-678-11	25 mL Fisherbrand™ Sterile Polystyrene Disposable Serological Pipets with Magnifier Stripe, for filling serum bottles.
Electric Pipette Filler	Pipet-aid	P-57260	Vacuum pressure electric serological pipette filler
Serum Bottle	Sigma	33109-U	Holds approximately 69 mL of liquid for culture growth, optimum for use of 20mL culture per bottle.
Anaerobic Culture Tube	VWR	89167-178	Anaerobic Tubes, 18 x 150 mm, Supplied with 20 mm Blue Butyl Rubber Stopper and Aluminum Seal.
Rubber Stopper	Sigma	27235-U	Silicone stopper, used for sealing serum bottles and for creating the tubing system/drip chamber.
Aluminum Crimp Seal (without septum)	Sigma	27227-U	Aluminum seal for top of serum bottle for use with serum bottle crimper.
Serum Bottle Aluminum Seal Crimper	Wheaton	224307	30 mm crimper with standard seal.
PTFE Tubing	Supelco	58697-U	1.58 mm OD x 0.5 mm ID 50 ft. PTFE Teflon tubing, used for creating the tubing system.
Disposable Cuvettes	GMBH	759085D	1.5 Ml for use with spectrophotometer.
Needle	BD	303015	22G; used for serum bottle injection.
Needle	BD	305120	23G; used for punching-through rubber stopper to create drip tubing system.
Shewanella oneidensis MR-1 with GFP	N/A	N/A	Matthysse AG, Stretton S, Dandie C, McClure NC, & Goodman AE (1996) Construction of GFP vectors for use in Gram-negative bacteria other than Escherichia coli. FEMS Microbiol Lett 145(1):87-94.
Ethanol	Thermo Fisher Scientific	S25310A	95% Denatured
TSA	BD	212305	Tryptic soy agar for culturing the model organism (S. oneidensis) used in this protocol
PIPES Buffer	Sigma	P-1851	Used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Hydroxide	Sigma	S-5881	Used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Ammonium Chloride	Sigma	A-5666	Used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Potassium Chloride	Sigma	P-4504	Used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Phosphate Monobasic	Sigma	S-9638	Used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Chloride	Thermo Fisher Scientific	S271-3	Used for “nanowires” medium, and used to make mineral solution used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium lactate	Sigma	L-1375	60%(w/w) syrup @ 98% pure, d=1.3 g/mL, 7M, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Bicarbonate	Sigma	S-5761	Used to make ferric NTA solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Nitrilotriacetic Acid Trisodium Salt	Sigma	N-0253	Used to make ferric NTA solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Iron (III) Chloride	Sigma	451649	Used to make ferric NTA solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Magnesium Sulfate	Sigma	208094	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Manganese (II) Sulfate Monohydrate	Sigma	M-7634	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Iron(II) Sulfate Heptahydrate	Sigma	215422	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Calcium Chloride Dihydrate	Sigma	223506	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Cobalt(II) Chloride	Sigma	60818	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Zinc Chloride	Sigma	229997	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Copper(II) Sulfate Pentahydrate	Sigma	C-8027	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Aluminum Potassium Sulfate Dodecahydrate	Sigma	237086	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Boric Acid	Sigma	B-6768	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Molybdate Dihydrate	Sigma	331058	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Nickel(II) Chloride	Sigma	339350	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Sodium Tungstate Dihydrate	Sigma	14304	Used to make minerals solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
D-Biotin	Sigma	47868	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Folic Acid	Sigma	F-7876	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Pyridoxine Hydrochloride	Sigma	P-9755	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Riboflavin (B2)	Sigma	47861	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Thiamine Hydrochloride	Sigma	T-4625	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Nicotinic Acid	Sigma	N4126	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
D-Pantothenic Acid Hemicalcium Salt	Sigma	21210	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Vitamin B12	Sigma	V-2876	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
4-Aminobenzoic Acid	Sigma	A-9878	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}
Thioctic Acid	Sigma	T-1395	Used to make vitamin solution, used for “nanowires” medium {Hill, E.A. 2007}