Bacillus subtilis tek hücreli mikrosıvısal analizi
Summary
Biz örnek olarak Bacillus subtilis kullanarak bireysel bakteri hücre soy mikrosıvısal çözümlenmesi için bir yöntem mevcut. Yöntemi gözlem, hücre nesiller sıkı bir şekilde kontrol edilebilir ve düzgün büyüme koşullar altında yüzlerce izin vererek Mikrobiyoloji geleneksel analitik yöntemleri eksikliklerin üstesinden gelir.
Abstract
Mikrosıvısal teknoloji birçok Mikrobiyoloji geleneksel analitik yöntemleri için kısıtlamaları üstesinden gelir. Toplu-kültür yöntemlerinden farklı olarak, tek hücreli çözünürlük ve nesiller yüzlerce spanning kez uzun gözlem sunar; Özel yastık tabanlı mikroskobu sıkı kontrol Tekdüzen büyüme koşullarına sahiptir. Çünkü bir mikrosıvısal aygıt neden olduğu hücre büyümesi ve metabolizma, otantik değişiklikler gen ekspresyonu ve hücre büyümesini yanıt olarak yerel kimyasal ortamdaki öngörülemeyen varyasyonlarından hücrelerde büyüme ortamının sürekli akışı ayırır belirli uyaranlara daha güvenle görülebilmektedir. Bacillus subtilis kullanılır burada bir “ana makine” göstermek için bir model bakteriyel türler olarak-yazın için hücresel analiz yöntemi. Biz oluşturmak ve bir mikrosıvısal aygıt çekül, hücrelerle yüklemek, mikroskobik görüntüleme başlatmak ve bir büyüme ortamından diğerine geçiş yaparak bir uyarana yapan hücreleri göstermek nasıl göstereceğim. Stres-duyarlı bir muhabir bu yöntemle elde edilen veri türü ortaya çıkarmak için bir örnek olarak kullanılır. Da kısaca uygulamaları deneyler, bakteriyel sporulation analizi gibi diğer türleri için bu yöntemin daha fazla tartışmak.
Introduction
Dünya’daki yaşam en çarpıcı özelliklerinden biri onun büyük esneklik ve çeşitlilik olduğunu. Moleküler Biyoloji merkezi amacı tarafından hücreleri genler ve proteinler onların büyüme ve fitness çok çeşitli çevresel koşullar altında en üst düzeye çıkarmak için kullanılan mantığı anlamaktır. Bu hedefe ulaşmak için bilim adamları güvenle gözlemlemek mümkün olmalıdır nasıl, tek tek hücreleri büyümek, bölmek ve onların genler belirli bir koşullar kümesi altında hızlı hücre kendi ortamlarında sonraki değişiklikler nasıl yanıt verdiklerini kaydetti. Ancak, Mikrobiyoloji geleneksel analitik yöntemleri ele alınabileceği soru türleri etkiler teknik kısıtlamalar bulunmaktadır. Örneğin, toplu kültür tabanlı analizler yıllar içinde çok yararlı olmuştur henüz anlamlı hücre hücre çeşitleri veya daha küçük alt nüfus toplam nüfusunun hücrelerinin davranışlarını maske yapabilirsiniz nüfus düzeyinde veri sundukları. Tek hücreli analizleri üzerinde ışık mikroskobu göre yaşayan bakterilerin tek hücreli davranışı ortaya ama aynı zamanda teknik olarak sınırlıdır. Bakteri genellikle büyüme orta, içeren özel yastıkları immobilize ama büyüme ve bölünme kalabalıklar mikroskobik görünümü hücre ve gözlem zaman1önemli ölçüde sınırlayan bir kaç hücre döngüsünden sonra kullanılabilir besin tüketir, 2. Ayrıca, besin yerel tükenmesi ve hücre büyümesi nedeniyle metabolik yan eşlik eden birikimini sürekli yerel hücre büyüme çevre değişiyor yollarla ölçmek ya da tahmin etmek zordur. Özel pedleri kullanarak bu tür çevresel değişiklikler için çalışmalar kararlı durum davranışları veya hücresel yanıt büyüme koşulları3belirli değişiklikler için bir sorun teşkil.
Bir sıvı orta sürekli microfabricated cihazlar aracılığıyla akıtılana mikrosıvısal, klasik deneysel sınırlamalar bir çözüm sunar. Büyüme orta akış sürekli hücreleri ile taze besin sağlar ve metabolik yan ve aşırı hücreleri, böylece son derece düzgün bir büyüme oluşturma uzak yıkar bir mikrosıvısal aygıt tek tek hücreler pozisyon için yaşamak-cep mikroskobu saklayabilirsiniz çevre. Sürekli büyüme koşullar altında çevresel faktörler, hücre iç mantık Engelsiz bir görünümünü izin etkisi düşük yalıtım modunda hücre davranışlar görülebilir. Hücrelerle kalabalık olma mikrosıvısal cihaz sıvı akışını engeller, tek hücre soy onlarca veya yüzlerce nesiller için gözlem olası4,5olur. Böyle uzun gözlem kez aksi takdirde belirlenemeyen uzun vadeli veya nadir cep davranışları tespiti izin. Son olarak, aygıt akıyor, değiştirilebilir orta bileşimi olacak, onlar bir stres başlangıcı veya giriş veya belirli bir bileşik kaldırılması için yanıt olarak uyması gereken hücreler izin.
Havacilik zaten önemli uygulamaları bir dizi kazanmıştır. Örneğin, doku, organ- veya vücut-on-a-chip aygıt, birden fazla insan hücre türü bir vivo içinde durumu6benzetimini yapmak için işbirliği kültürlü olduğu içinde kullanılmıştır; microstructured ortamlar7nematodunun hareketi incelenmesi için; Bakteriyel biyofilmler (örneğin, 8); arasındaki etkileşimler incelemek için ve için saklama ve işleme küçük hacimli hücreleri veya kimyasal maddeler (örneğin, 9). Mikrosıvısal cihazlar da özellikle onların fiziksel olarak (için mükemmel yorumları, bkz: 10 ve 11), Mikrobiyoloji alanında giderek daha popüler hale gelmiştir ve akış özellikleri doğal mikrobiyal nişler12‘ ye uyumlu. Örneğin, havacilik son zamanlarda microbiologists tarafından bu tür amaçlar için tam olarak patojen hareketi16analiz hücre büyüme ve bölüm13,14,15, ölçüm olarak istihdam edilmiştir, çekirdek algılama17 ve fizyolojik geçişler18izleme ve protein için sayma19, birçok diğer örnekler arasında. Burada sunulan yöntem suşları ya türü birleşimlerini yerine tek bakteri hücre soy analizi için özel olarak tasarlanmıştır. “Ana makine” tasarım4hangi hücreleri tek dosya büyüdü, bir varyasyon aşağıda gösterildiği mikrosıvısal aygıt kullanır içinde bir mikrosıvısal siper bir kapalı ucu ve bir açık uçlu; hücre büyümesi ve bölünme iter döl hücreleri yukarı ve dışarı açık ucu sıvı akışı. Bizim analizler genellikle yalnızca açmanın kapalı sonunda sınırlı “anne” hücre odaklanmak. Biz bu yöntemi önceki ışık mikroskobu tabanlı tek hücreli analitik teknikler, Hücre immobilizasyon üzerinde özel yastıkları gibi üzerinde bir gelişme düşünün. B. subtilis bir model olarak kullanılırken, yöntem aynı zamanda diğer bakteriyel türler için geçerlidir (Escherichia coli başka bir ortak modeli, farklı hücre boyutlarını veya türleri morfoloji ile bazı türler yeni cihazlar imalatı gerektirebilir farklı boyutları ile). Floresan gazetecilere hücreleri işaretlemek için ve gen ekspresyonu değişimler görselleştirmek için kullanımı genetik olarak uysal türlerin kullanımını gerektirir; Ancak, hücre büyümesi ve Morfoloji bile floresan işaretleri mümkün analizlerdir.
Mevcut iletişim kuralı fotolitografi, başka bir yerde yaygın olarak tanımlanmıştır5kullanarak silikon asıl imalatı işlemi hariç; ustalar da microfabrication tesislerinden kolayca dış kaynaklı olabilir. Güçlendirilmiş silikon ana PDMS aygıttan kalıplama içerir; kapak cam parçası aygıta bağlar; mikrosıvısal giriş ve çıkış sıhhi tesisat montaj, orta geçiş izin vermek için de dahil olmak üzere çimdik vanalar; Cihazın pasivasyon, bakteri hücreleri hazırlamak ve bakteri hücreleri ile aygıt yükleme; su tesisatı için aygıt ekleme ve hücreleri sıcaklığına; ve üzerine floresan mikroskop için düşsel aygıt yükleme. Çünkü birçok farklı resim alma ve işleme yazılımı araçları görselleştirmek ve faiz4,5farklı veri analiz etmek için kullanılabilir, örnek resimler gösterilir, ama görüntü yakalama yöntemleri bu protokol için dahil değildir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Adımlardan kullanımı belirli türler veya zorlanma veya belirli bir amaç için en iyi duruma getirmek için değiştirilebilir bu havacilik Protokolü esnek olmamasıdır. Nitekim, bu protokol için kullanımı B. subtilisile optimize etmek için orijinal “ana makine” kavramı4 değişiklikler yapılmış. Çoğu zaman, bu protokol için hücreleri çevreleyen sığ bir kanal ile iki katlı hücre siperler, kullanın, ancak hangi hücrelerin sınırlı olan siperler bir tek katmanlı …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje GM018568 altında Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi. Bu iletişim kuralı için Nano sistemleri (CNS), bir üye, ulusal nanoteknoloji koordine altyapı ağı (NSF Ödülü No 1541959 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen NNCI), kısmen merkezinde gerçekleştirildi. CNS Harvard Üniversitesi bir parçasıdır. Çok teşekkürler Thomas Norman ve Nathan Lord nedeniyle hamile kalma ve burada ve orijinali cihazları binada gösterilen aygıtlar için kullanılan ana şablon imalatı işlerini içindir. Biz de Johan Paulsson onun değerli ortak tavsiyeler için teşekkür ederiz ve üyeleri laboratuarına onların tavsiye ve bakteriyel mikrosıvısal için aygıtlar için sürekli iyileştirmeler için teşekkür ederim.
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 |
Riferimenti
- Moffitt, J. R., Lee, J. B., Cluzel, P. The single-cell chemostat: an agarose-based, microfluidic device for high-throughput, single-cell studies of bacteria and bacterial communities. Lab Chip. 12 (8), 1487-1494 (2012).
- Young, J. W., et al. Measuring single-cell gene expression dynamics in bacteria using fluorescence time-lapse microscopy. Nat Protoc. 7 (1), 80-88 (2011).
- Dusny, C., et al. Technical bias of microcultivation environments on single-cell physiology. Lab Chip. 15 (8), 1822-1834 (2015).
- Wang, P., et al. Robust growth of Escherichia coli. Curr Biol. 20 (12), 1099-1103 (2010).
- Norman, T. M., Lord, N. D., Paulsson, J., Losick, R. Memory and modularity in cell-fate decision making. Nature. 503 (7477), 481-486 (2013).
- Perestrelo, A. R., Aguas, A. C., Rainer, A., Forte, G. Microfluidic Organ/Body-on-a-Chip Devices at the Convergence of Biology and Microengineering. Sensors. 15 (12), 31142-31170 (2015).
- Johari, S., Nock, V., Alkaisi, M. M., Wang, W. On-chip analysis of C. elegans muscular forces and locomotion patterns in microstructured environments. Lab Chip. 13 (9), 1699-1707 (2013).
- Liu, J., et al. Coupling between distant biofilms and emergence of nutrient time-sharing. Science. 356 (6338), 638-642 (2017).
- Choi, C. H., et al. One-step generation of cell-laden microgels using double emulsion drops with a sacrificial ultra-thin oil shell. Lab Chip. 16 (9), 1549-1555 (2016).
- Weibel, D. B., Diluzio, W. R., Whitesides, G. M. Microfabrication meets microbiology. Nat Rev Microbiol. 5 (3), 209-218 (2007).
- Taheri-Araghi, S., Brown, S. D., Sauls, J. T., McIntosh, D. B., Jun, S. Single-Cell Physiology. Annu Rev Biophys. 44, 123-142 (2015).
- Karimi, A., Karig, D., Kumar, A., Ardekani, A. M. Interplay of physical mechanisms and biofilm processes: review of microfluidic methods. Lab Chip. 15 (1), 23-42 (2015).
- Yu, F. B., et al. Long-term microfluidic tracking of coccoid cyanobacterial cells reveals robust control of division timing. BMC Biol. 15 (1), 11 (2017).
- Campos, M., et al. A constant size extension drives bacterial cell size homeostasis. Cell. 159 (6), 1433-1446 (2014).
- Taheri-Araghi, S., et al. Cell-size control and homeostasis in bacteria. Curr Biol. 25 (3), 385-391 (2015).
- Siryaporn, A., Kim, M. K., Shen, Y., Stone, H. A., Gitai, Z. Colonization, competition, and dispersal of pathogens in fluid flow networks. Curr Biol. 25 (9), 1201-1207 (2015).
- Connell, J. L., et al. Probing prokaryotic social behaviors with bacterial “lobster traps”. MBio. 1 (4), (2010).
- Long, Z., et al. Measuring bacterial adaptation dynamics at the single-cell level using a microfluidic chemostat and time-lapse fluorescence microscopy. Analyst. 139 (20), 5254-5262 (2014).
- Okumus, B., et al. Mechanical slowing-down of cytoplasmic diffusion allows in vivo counting of proteins in individual cells. Nat Commun. 7, 11641 (2016).
- Teng, S. W., Mukherji, S., Moffitt, J. R., de Buyl, S., O’Shea, E. K. Robust circadian oscillations in growing cyanobacteria require transcriptional feedback. Science. 340 (6133), 737-740 (2013).
- Baker, J. D., et al. Programmable, Pneumatically Actuated Microfluidic Device with an Integrated Nanochannel Array To Track Development of Individual Bacteria. Anal Chem. 88 (17), 8476-8483 (2016).
- Russell, J. R., Cabeen, M. T., Wiggins, P. A., Paulsson, J., Losick, R. Noise in a phosphorelay drives stochastic entry into sporulation in Bacillus subtilis. EMBO J. 36 (19), 2856-2869 (2017).
- Cabeen, M. T., Russell, J. R., Paulsson, J., Losick, R. Use of a microfluidic platform to uncover basic features of energy and environmental stress responses in individual cells of Bacillus subtilis. PLoS Genet. 13 (7), e1006901 (2017).
