Dimostriamo un metodo per isolare i membri difficili da coltivare del nuovo phylum batterico, Saccharibacteria, filtrando la placca dentale e co-coltivando con i batteri ospiti.
Method Article
Dimostriamo un metodo per isolare i membri difficili da coltivare del nuovo phylum batterico, Saccharibacteria, filtrando la placca dentale e co-coltivando con i batteri ospiti.
Molte specie batteriche non possono essere coltivate in laboratorio utilizzando metodi standard, ponendo una barriera significativa allo studio della maggior parte della diversità microbica sulla terra. Sono necessari nuovi approcci per coltura di questi batteri incolti in modo che gli investigatori possano studiare efficacemente la loro fisiologia e il loro stile di vita utilizzando i potenti strumenti disponibili in laboratorio. La radiazione di phyla candidata (CPR) è uno dei più grandi gruppi di batteri incolti, che comprende ~ 15% della diversità vivente sulla terra. Il primo isolato di questo gruppo è stato un membro del phylum Saccharibacteria,ceppoTM7x. TM7x è un batterio insolitamente piccolo che vive come simbionte a diretto contatto con un ospite batterico, Schaalia odontolytica, ceppo XH001. Sfruttando le dimensioni delle cellule insolitamente piccole e il suo stile di vita come organismo simbiotico, abbiamo sviluppato un protocollo per coltura rapida dei Saccharibacteria dalla placca dentale. Questo protocollo mostrerà come filtrare una sospensione della placca dentale attraverso un filtro da 0,2 μm, quindi concentrare le cellule Saccharibacteria raccolte e infettare una coltura di organismi ospiti. La cocoltura risultante può essere passageata come qualsiasi normale coltura batterica e infezione è confermata dalla PCR. La coltura binaria risultante può essere mantenuta in laboratorio e utilizzata per esperimenti futuri. Mentre la contaminazione è una possibilità, la coltura binaria può essere purificata sia filtrando ulteriormente e rifezione dell'ospite, sia placcando la cultura binaria e lo screening per le colonie infette. Speriamo che questo protocollo possa essere esteso ad altri tipi di campioni e ambienti, portando alla coltivazione di molte più specie nella RCP.
Coltivare nuove specie di batteri e portarli in laboratorio consente potenti esperimenti per comprendere meglio la loro fisiologia e interazioni più ampie all'interno della loro comunità microbica. Mentre esistono metodi senza cultura per interrogare queste domande (ad esempio, "meta-omica"), le complesse interazioni di diverse popolazioni microbiche rendono difficile prendere in giro singole variabili e raggiungere conclusioni significative. Mentre coltivare i batteri ha molti benefici, ci sono molte potenziali barriere all'isolamento di un batterio e alla sua crescita nella cultura pura. I potenziali requisiti specifici di crescita includono pH, tensione dell'ossigeno, vitamine, fattori di crescita, molecole di segnalazione o persino contatto diretto delle cellule per suscitare lacrescita 1. Tuttavia, si ritiene che le auxotrofie specifiche siano il principale deterrente alla ristrutturazione di nuove specie di batteri. Le formulazioni standard dei media mancano di molti nutrienti richiesti da batteri incolti, come vitamine specifiche o fonti di carbonio. Queste molecole mancanti possono essere la chiave per la fisiologia dei batteri incolti e sono solitamente fornite da un altro organismo nella comunità microbica o da un organismo ospite. Ad esempio, carboidrati complessi come le mucine possono essere forniti da ospiti animali. L'aggiunta di questi ai media ha permesso la coltivazione di diversi batteri provenienti da budella animale, tra cui Akkermansia muciniphila e Mucinivorans hirudinis2,3,4. Molti batteri patogeni hanno sviluppato la capacità di utilizzare ferro legato all'emina nelle cellule animali, incluso l'agente patogeno orale Porphyromonas gingivalis5. In laboratorio, la crescita di Porfiromonas e altri organismi, può essere stimolata dall'aggiunta di emina6.
Recentemente, molte scoperte nella coltivazione di nuovi isolati di batteri sono arrivate attraverso la co-coltura, utilizzando un organismo "alimentatore" per fornire fattori specifici ai batteri non coltivati necessari per la loro crescita. Un elegante studio di Vartoukian e colleghi ha dimostrato che i siderofori, molecole di legame del ferro prodotte dai batteri, stimolavano la crescita di diversi nuovi isolati orali. Le pyoverdine, un tipo di sideroforo prodotto da specie pseudomonad, hanno dimostrato di facilitare significativamente la crescita di una nuova specie prevotella 7. Nello stesso studio, è stato coltivato il primo isolato orale per il phylum Chloroflexi, usando anche F. nucleatum come aiutante per fornire alcuni composti ancora sconosciuti7. Più recentemente, un batterio del genere Ruminococcaceae è stato isolato usando Bacteroides fragilis come organismo aiutante8. In seguito è stato dimostrato che l'acido gamma amminobutirrico (GABA), un neurotrasmettitore inibitorio, era necessario per la crescita sui mezzi di laboratorio. L'uso di organismi di alimentazione si è rivelato una strategia chiave per imitare microambientati specifici in cui crescono batteri non coltivati, essendo più efficiente che riformulare continuamente i mezzi di crescita con diversi additivi in concentrazioni variabili.
Uno dei più grandi gruppi di batteri incolti si trova nella "Candidate Phyla Radiation" (RCP), un gruppo monofilattico di diversi phyla battericicandidati 9,10. Al momento della stesura di questo articolo, solo i membri del phylum Saccharibacteria all'interno della RCP sono stati coltivati con successo in laboratorio. Il primo isolato, il ceppo TM7xdel Nanosynbacter lyticus, è stato isolato utilizzando l'antibiotico streptomicina, che si prevedeva si arricchisse per l'incolto TM711,12. Una scoperta chiave di questo lavoro è stata che il nuovo isolato è cresciuto come un parassita che cresce a diretto contatto con un ospite batterico, Schaalia odontolytica, e la microscopia ha mostrato che questi parassiti erano batteri ultrasottili.
Utilizzando questi indizi, abbiamo ideato un metodo per stabilire rapidamente coculture binarie di Saccharibacteria con i loro partner filtrando la placca dentale e altri campioni orali attraverso un filtro da 0,2 μm, raccogliendo cellule nel filtrato mediante centrifugazione e usandole per infettare colture di batteri ospiti candidati. Questo metodo ha il vantaggio di evitare colture di arricchimento, che possono essere sopraffatte da organismi in rapida crescita. Evita anche l'uso di antibiotici, che potrebbero fermare la crescita delle specie di Saccharibacteria mirate o dei loro ospiti. Utilizzando il metodo qui dimostrato, abbiamo coltivato con successo 32 isolati dal phylum Saccharibacteria.
Durante lo sviluppo di questo protocollo, l'approvazione dell'IRB è stata richiesta e approvata (#14-10) e il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti.
1. Preparazione
2. Ottenere un campione di batteri orali
NOTA: Mentre molti campioni orali contengono Saccharibacteria (ad esempio, saliva, tamponi di tonsille, raschiamenti della lingua) la placca dentale è di routine la più riuscita.
3. Preparare il filtrato dal campione orale
4. Concentrare le cellule saccharibacteria per centrifugazione
5. Infettare le colture ospiti con filtrato arricchito con Saccharibacteria
6. Confermare l'infezione da PCR
7. Verificare la purezza e rimuovere gli organismi contaminanti
8. Conservazione delle colture
La PCR per il rilevamento di Saccharibacteria può apparire negativa (cioè nessun prodotto visto) nelle colture di infezione iniziale a causa di un basso numero di simbionti Saccharibacteria. Tuttavia, dopo alcuni passaggi dovrebbe apparire un forte prodotto PCR che mostra che si è verificata un'infezione stabile (Figura 1A). Al contrario, alcune infezioni appariranno inizialmente positive dalla PCR, ma diminuiranno fino a non rilevabili dopo 1-4 passaggi (non mostrati). Ciò indica che una grande quantità di cellule saccharibacteria erano presenti nel filtrato iniziale ma sono state diluite per passaggio e nessuna è stata in grado di entrare in una simbiosi stabile con la coltura ospite. La sperimentazione di diverse specie ospiti con lo stesso filtrato saccharibacteria dalla cavità orale avrà di solito un basso tasso di successo (Figura 1B) in quanto l'interazione simbionte-ospite è molto specifica. Un ricercatore può anche testare lo stesso ospite con filtrati da diversi soggetti. Se si utilizza un buon organismo ospite (come Arachnia propionica o Schaalia odontolytica),ci si può aspettare un tasso di successo del 50%.
I test da parte della PCR sono fondamentali. Ricercatori esperti hanno tentato di confermare l'infezione per microscopia, solo per segnalare falsi positivi. Le cellule saccharibacteria sono piccole e difficili da distinguere tra vescicole o rigonfiamenti irregolari dell'involucro cellulare. Un segnale PCR stabile attraverso diversi passaggi è la chiave per confermare un'infezione di successo.
Man mano che le culture infette crescono, dovrebbe apparire una normale crescita torbida. Man mano che la simbiosi si stabilisce, le colture infette appariranno meno torbidi delle colture di organismi ospiti non infetti (Figura 2A). In alcuni casi, le culture infette possono sembrare smettere completamente di crescere e non diventare affatto torbidi. Ciò può essere dovuto a un'infezione in cui le cellule saccharibacteria stanno travolgendo l'organismo ospite. L'aggiunta di ospite "fresco" (non infetto) a queste culture dovrebbe fornire una popolazione di ospiti sufficiente a sostenere la continua crescita dei parassiti saccharibacteria.
La crescita eccessivo, o colture eccessivamente torbidi, può indicare la contaminazione da un contaminante di laboratorio o da un altro piccolo batterio orale che è stato in grado di passare attraverso il filtro da 0,2 μm. Campylobacter e Capnocytophaga spp. Questo può essere confermato placcando la coltura e cercando colonie atipiche dell'organismo ospite seguite dal sequenziamento di 16S rRNA. Se si verifica una contaminazione, filtrare queste colture attraverso un filtro da 0,2 μm è solitamente sufficiente per rimuovere i contaminanti. Le cellule saccharibacteria nel filtrato possono essere concentrate per centrifugazione e utilizzate per infettare di nuovo una coltura ospite pura.
Un altro modo per purificare una cultura contaminata è raccogliere colonie infette dalla placcatura di una cultura infetta. Colonie di ospiti infetti possono talvolta essere identificate dalla forma irregolare della colonia rispetto alle colonie non infette (Figura 2B-D). Queste colonie irregolari dipendono dal tintore di Saccharibacteria nella coltura binaria e una piccola percentuale di colonie apparirà irregolare se il formicolio è basso. Questo può rendere facile identificare le colonie infette, che possono essere raccolte e utilizzate per iniziare una cultura binaria pura. Se non si vedono colonie irregolari sulla placcatura da una coltura infetta da Saccharibacteria, è possibile che il simbionte si trova a un basso formicolio o non causi colonie di forma irregolare. In tal caso, le colonie di screening PCR con un aspetto normale possono mostrare infezione da Saccharibacteria, ma a un tasso basso (2-10% di tutte le colonie).

Figura 1: Risultati tipici della PCR delle infezioni da Saccharibacteria delle colture ospiti. (A) Un prodotto PCR che indica la presenza di Saccharibacteria può non apparire con l'infezione iniziale, ma può apparire e diventare più forte nei passaggi successivi man mano che la cocultura si stabilisce. (B) La maggior parte degli ospiti infettati da filtrato arricchito da Saccharibacteria non sosterrà la loro crescita a causa della specificità della simbiosi. In questo esempio, solo A. propionica è stato infettato con successo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Caratteristiche di crescita delle colture infette da Saccharibacteria. (A) Le curve di crescita delle colture infette e non infette di A. propionica che mostrano una coltura infetta non cresceranno alla stessa densità del controllo non influenzato e appariranno meno torbidi. (B-D) La placcatura delle coculture può produrre colonie irregolari, causate da infezioni da Saccharibateria. Le colonie irregolari diminuiranno in proporzione rispetto al formicolio dei Saccharibacteria nella cocoltura. (B) Ospite con un alto livello di Saccharibacteria. (C) Saccharibacteria diluiti 10 volte (D) Coltura ospite non infetta. Le frecce bianche indicano esempi di colonie irregolari. Scale bar= 1 cm.
Il nostro metodo di filtraggio della placca e di applicazione alle colture pure di organismi ospiti si basa in gran parte su precedenti osservazioni sui primi Saccharibacteria coltivati, ilceppo di Nanosynbacter lyticus TM7x11,14,15. Date le piccole dimensioni delle celle, abbiamo dedotto che potevano essere separate dalla placca dentale usando un filtro e concentrate con centrifugazione. In secondo luogo, poiché questi organismi vivono come parassiti, fornire a queste cellule colture pure di ospiti consentirebbe loro di entrare in una simbiosi e crescere come colture binarie.
Un vantaggio di questo metodo è che non richiede una coltura di arricchimento o una pressione selettiva. Ilceppo TM7x del Nanosynbacter lyticus è stato coltivato da una coltura di arricchimento usando la streptomicina come agente selettivo, che il sequenziamento aveva suggerito sarebbe stato efficace nell'arricchire i Saccharibacteri. Fortuitamente, l'ospite di' Nanosynbacter lyticus' Schaalia odontolytica, è noto per essere resistente alla streptomicina16. L'uso di antibiotici come agente selettivo potrebbe anche impedire all'organismo ospite di crescere, il che a sua volta precluderebbe la crescita dei Saccharibacteria.
Una questione più ampia dell'uso di colture di arricchimento è che gli organismi in rapida crescita sposteranno rapidamente gli organismi di interesse. Nella cavità orale, ad esempio, le specie di Streptococcus possono crescere rapidamente e, se lo zucchero è presente nel mezzo di crescita, produrre abbastanza acido da acidificare il mezzo, selezionando ulteriormente contro gli organismi di interesse. Evitando una coltura di arricchimento e antibiotici selettivi, il nostro metodo fornisce un approccio generale che potrebbe essere applicato a una gamma più ampia di Saccharibacteri e potenziali ospiti senza le complicazioni di questi altri metodi.
Ci sono alcuni ostacoli al metodo qui presentato. In primo luogo, questo metodo presuppone che i Saccharibacteri vivano in una cultura binaria. Non abbiamo testato combinazioni di colture trinarie o ternarie per misurarne l'efficacia, ma ci sono probabilmente Saccharibacteri che richiedono fattori di crescita che un singolo organismo ospite non può fornire. Testare le vaste combinazioni di batteri orali che potrebbero sostenere la crescita dei Saccharibacteria sarebbe un compito scoraggiante. In secondo luogo, il metodo presuppone che tutti i Saccharibacteri siano abbastanza piccoli da passare attraverso un filtro da 0,2 μm. Potrebbe essere che altri Saccharibacteri siano più grandi di quanto si credesse e che il filtro selezioni contro questi organismi. Potrebbe essere utilizzato un filtro con una dimensione dei pori più grande, ma questo corre il rischio di consentire batteri orali più indesiderati nella co-coltura infetta. Infine, è molto difficile trovare specie ospiti al di fuori di quelle che sono già state pubblicate. Finora, gli unici ospiti di successo sono specie dei generi Actinomyces, Schaalia, Arachnia e Cellulosimicrobium,tutti membri del phylum Actinobacteria15,17,18. Tuttavia, questi host supportano solo la crescita di saccharibacteria specifici. Per culturare più specie di Saccharibacteria, molti più ospiti devono essere esplorati.
Speriamo che il metodo qui presentato aiuti la ricerca futura dei Saccharibacteria e di altri organismi della RCP. Il sequenziamento metagenomico suggerisce che questi organismi hanno anche piccoli genomi e si sospetta che siano simbionti o si affidi alla comunità microbica locale per fornire metaboliti e altri fattori critici per la loro sopravvivenza19. Una strategia di filtraggio simile potrebbe essere utilizzata per isolare questi organismi, a condizione che siano abbastanza piccoli e che i loro organismi ospiti possano essere coltivati. I metodi descritti qui sono un primo passo per portare i potenti strumenti della coltura di laboratorio in questo grande e diversificato gruppo di batteri.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Gli autori desiderano ringraziare Anne Tanner, Bruce Paster, Heike Boisvert, Xuesong He e Batbileg Bor per le utili discussioni e per aver fornito ceppi batterici. Ringraziamo Susan Yost e Jessica Woods per l'assistenza tecnica microbica. La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata supportata dal National Institute of Dental and Craniofacial Research dei National Institutes of Health con i numeri di premio R37 DE016937 (FED), R01 DE024468 (FED) e T32 DE007327 (AJC). Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali degli Istituti Nazionali di Sanità.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Agarosio | Fisher Scientific | BP160-100 | |
| Alphaimager | Cell Biosciences | FluorChem HD2 | O equivalente sistema di imaging su gel UV |
| Foglio di alluminio | Fisher Scientific | 01-213-101 | |
| Brain Heart Infusion Brodo (polvere disidratata) | Becton-Dickinson | 211059 | O altri mezzi di crescita adatti per organismi bersaglio |
| Rotore per centrifuga 70-Ti | Beckman Coulter | 337922 | |
| Cryovials | Fisher Scientific | 12-567-500 | |
| DMSO | Fisher Scientific | BP231-100 | |
| Elettroforesi Alimentatore | Bio-Rad | 1645052 | |
| Pinza per filtri | Millipore Sigma | XX6200006P | Non essenziale, aiuta a garantire che i filtri non vengano forati durante la manipolazione |
| Glycerol | Fisher Scientific | G33-500 | |
| GoTaq Green Mastermix | Promega | M7122 | |
| Mastercycler Pro Thermocycler | Eppendorf | 950040025 | O termociclatore equivalente per PCR |
| Soluzione MgCl2 25mM | Promega | A3513 | |
| Acqua di grado di biologia molecolare | Fisher | Scientific BP2819100 | |
| O2 Control InVitro Glove Box | Laoratori Coy | 031615 | Se necessario per organismi microaerobici Centrifuga |
| ad alta velocità Optima L-100 XP Beckman | Coulter | 8043-30-1124 | |
| Micro pipetta P-10 | Gilson | F144802 | |
| Micropipetta P-2 | Gilson | F144801 | |
| Micropipetta P-20 | Gilson | F123600 | |
| Micropipetta P-200 | Gilson | F123602G | |
| BP399500 | PBS | Fisher Scientific | |
| Fisher Scientific 0,2 mL | Fisher Scientific | 14-230-205 | |
| Peptone | Fisher Scientific | BP1420-500 | |
| Puntali per pipette - 10 &; mu; L | Fisher Scientific | 02-717-157 | |
| Puntali per pipette - 1000 μ L | Fisher Scientific | 02-717-166 | |
| Puntali per pipette - 20 μ L | Fisher Scientific | 02-717-161 | |
| Puntali per pipette - 200 μ L | Fisher Scientific | 02-717-165 | |
| Filtri in policarbonato - 47mm, 0.2 μ m dimensione dei pori | Millipore | GTTP04700 | |
| Provette da centrifuga coniche con tappo a vite 15 mL | Falcon | 352096 | O altra provetta adatta per colture |
| batteriche Cloruro di sodio | Fisher Scientific | BP358-1 | |
| Filtro Swin-Lok - 47mm | Whatman | 4200400 | |
| SYBR Colorazione sicura per gel DNA | ThermoFisher Scientific | S33102 | |
| Siringhe - 20 mL | Fisher Scientific | 14-955-460 | |
| TAE Tampone (50x) concentrato | Fisher Scientific | P1332500 | |
| Provette da centrifuga in policarbonato a parete spessa 25 x 89 mm (capacità 26,3 mL) con tappi Beckman | Coulter | 355618 | |
| Piastre per agar con sangue di soia triptico | Northeast Laboratory Services | P1100 | O altra piastra di agar sufficiente per la crescita di organismi ospiti |
| Brodo di soia triptico (polvere disidratata) | Becton-Dickinson | 211825 | O altri mezzi di crescita adatti per organismi bersaglio |
| Camera anaerobica vinilica | Coy Laboratories | 032714 | Se necessario per organismi anaerobici |
| Miscelatore a vortice | Scientific Industries | SI-0236 | |
| Estratto di lievito | Fisher Scientific BP1422-500 |
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