Coincubation Valutazione per quantificare le interazioni competitive tra Vibrio fischeri Isolates
Summary
I batteri codificano diversi meccanismi per impegnarsi in una competizione interbatterica. Qui, presentiamo un protocollo basato sulla cultura per caratterizzare le interazioni competitive tra gli isolati batterici e come influenzano la struttura spaziale di una popolazione mista.
Abstract
Questo manoscritto descrive un saggio di coincubazione basato sulla cultura per rilevare e caratterizzare le interazioni competitive tra due popolazioni batteriche. Questo metodo utilizza plasmidi stabili che consentono a ogni popolazione di essere etichettata in modo differenziale con capacità di resistenza agli antibiotici distinte e proteine fluorescenti per la selezione e la discriminazione visiva di ogni popolazione, rispettivamente. Qui, descriviamo la preparazione e la coincubazione dei ceppi Vibrio fischeri concorrenti, l’imaging a microscopia a fluorescenza e l’analisi quantitativa dei dati. Questo approccio è semplice, produce risultati rapidi e può essere utilizzato per determinare se una popolazione uccide o inibisce la crescita di un’altra popolazione e se la concorrenza è mediata attraverso una molecola diffusiva o richiede un contatto diretto tra le cellule. Poiché ogni popolazione batterica esprime una diversa proteina fluorescente, l’analizzatore consente la discriminazione spaziale delle popolazioni concorrenti all’interno di una colonia mista. Anche se i metodi descritti vengono eseguiti con il batterio simbiotico V. fischeri utilizzando condizioni ottimizzate per questa specie, il protocollo può essere adattato per la maggior parte degli isolati batterici culturable.
Introduction
Questo manoscritto delinea un metodo basato sulla cultura per determinare se due isolati batterici sono in grado di interazioni competitive. Quando si studiano le popolazioni miste, è importante valutare la misura in cui gli isolati batterici interagiscono, in particolare se gli isolati competono direttamente attraverso meccanismi di interferenza. La competizione di interferenza si riferisce alle interazioni in cui una popolazione inibisce direttamente la crescita o uccide una popolazione concorrente1. Queste interazioni sono importanti da identificare perché possono avere effetti profondi sulla struttura e sulla funzione di una comunità microbica2,3.
Meccanismi per la concorrenza microbica sono stati scoperti ampiamente in genomi di batteri provenienti da ambienti diversi tra cui batteri associati all’ospite e liberi viventi4,5,6,7 8,9. Una varietà di strategie di concorrenza sono state descritte10,11 compresi i meccanismi diffusibili, come le sostanze chimiche battericide1,12 e peptidi antimicrobici secreti13 , così come i meccanismi dipendenti dal contatto che richiedono il contatto cellulare per trasferire un effettore inibitorio nelle cellule bersaglio9,14,15,16,17 ,18.
Sebbene le coincubazioni basate sulla cultura siano comunemente utilizzate in microbiologia5,8,19, questo manoscritto descrive come utilizzare il saggio per caratterizzare il meccanismo della concorrenza, nonché suggerimenti per l’adattamento il protocollo per l’uso con altre specie batteriche. Inoltre, questo metodo descrive più approcci per l’analisi e la presentazione dei dati per rispondere a diverse domande sulla natura delle interazioni competitive. Sebbene le tecniche qui descritte siano state utilizzate in precedenza per identificare il meccanismo di uccisione interbatterico alla base della concorrenza intraspecifica tra ceppi simbiotici di batteri Vibrio fischeri coisolati19, sono adatti per molte specie batteriche, tra cui isolati ambientali e patogeni umani, e possono essere utilizzate per valutare meccanismi competitivi sia dipendenti dal contatto che diffusi. I passaggi del protocollo possono richiedere l’ottimizzazione per altre specie batteriche. Dato che più sistemi modello stanno espandendo i loro studi oltre all’uso di organismi isogenici per includere genotipi diversi10,16,20,21, questo metodo sarà una risorsa preziosa per i ricercatori che cercano di capire in che modo la concorrenza influisce sui sistemi multi-ceppo o multispecie.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’analisi della coincubazione descritta sopra fornisce un potente metodo per scoprire la concorrenza interbatterica. Questo approccio ha permesso l’identificazione della concorrenza intraspecifica tra gli isolati di V. fischeri e la caratterizzazione del meccanismo competitivo19. Anche se il metodo descritto è stato ottimizzato per il batterio marino V. fischeri, può essere facilmente modificato per ospitare altre specie batteriche tra cui isolati clinici e ambientali. È impor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare i recensori per il loro feedback utile. A.N.S. è stato sostenuto dalla Gordon and Betty Moore Foundation attraverso Grant GBMF 255.03 alla Life Sciences Research Foundation.
Materials
| 1.5 mL Microcentrifuge Tubes | Fisher | 05-408-129 | |
| 10 μL multichannel pipette | |||
| 100 μL multichannel pipette | |||
| 300 μL multichannel pipette | |||
| 10 μL single channel pipette | |||
| 20 μL single channel pipette | |||
| 200 μL single channel pipette | |||
| 1000 μL single channel pipette | |||
| 24-well plates | Fisher | 07-200-84 | sterile with lid |
| 96-well plates | VWR | 10062-900 | sterile with lid |
| Calculator | |||
| Chloramphenicol | Sigma | C0378 | stock (20 mg/mL in Ethanol); final concentration in media (2 μg /mL LBS) |
| Fluorescence dissecting microscope with camera and imaging software | |||
| forceps | Fisher | 08-880 | |
| Kanamycin Sulfate | Fisher | BP906-5 | stock (100 mg/mL in water, filter sterilize); final concentration in media (1 μg/mL LBS) |
| Nitrocellulose membrane (FS MCE, 25MM, NS) | Fisher | SA1J788H5 | 0.22 μm nitrocellulose membrane (pk of 100) |
| petri plates | Fisher | FB0875713 | sterile with lid |
| Spectrophotometer | |||
| Semi-micro cuvettes | VWR | 97000-586 | |
| TipOne 0.1-10 μL starter system | USA Scientific | 1111-3500 | 10 racks |
| TipOne 200 μL starter system | USA Scientific | 1111-500 | 10 racks |
| TipOne 1000 μL starter system | USA Scientific | 1111-2520 | 10 racks |
| Vortex | |||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LBS media | |||
| 1M Tris Buffer (pH ~7.5) | 50 mL 1 M stock buffer (62 mL HCl, 938 mL DI water, 121 g Trizma Base) | ||
| Agar Technical | Fisher | DF0812-17-9 | 15 g (Add only for plates) |
| DI water | 950 mL | ||
| Sodium Chloride | Fisher | S640-3 | 20 g |
| Tryptone | Fisher | BP97265 | 10 g |
| Yeast Extract | Fisher | BP9727-2 | 5 g |
References
- Hibbing, M. E., Fuqua, C., Parsek, M. R., Peterson, S. B. Bacterial competition: surviving and thriving in the microbial jungle. Nature Reviews Microbiology. 8 (1), 15-25 (2010).
- Nyholm, S. V., McFall-Ngai, M. The winnowing: establishing the squid-Vibrio symbiosis. Nature Reviews Microbiology. 2 (8), 632-642 (2004).
- Dörr, N. C. D., Blockesh, M. Bacterial type VI secretion system facilitates niche domination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (36), 8855-8857 (2018).
- Maclntyre, D. L., Miyata, S. T., Kitaoka, M., Pukatzki, S. The Vibrio cholerae type VI secretion system displays antimicrobial properties. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (45), 19520-19524 (2010).
- Salomon, D., Gonzalez, H., Updegraff, B. L., Orth, K. Vibrio parahaemolyticus type VI secretion system 1 is activated in marine conditions to target bacteria, and is differentially regulated from system 2. PloS One. 8 (4), e61086 (2013).
- Sana, T. G., et al. Salmonella Typhimurium utilizes a T6SS-mediated antibacterial weapon to establish in the host gut. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (34), E5044-E5051 (2016).
- Schwarz, S., et al. Burkholderia type VI secretion systems have distinct roles in eukaryotic and bacterial cell interactions. PLoS Pathogens. 6 (8), e1001068 (2010).
- Wenren, L. M., Sullivan, N. L., Cardarelli, L., Septer, A. N., Gibbs, K. A. Two independent pathways for self-recognition in Proteus mirabilis are linked by type VI-dependent export. MBio. 4 (4), (2013).
- García-Bayona, L., Guo, M. S., Laub, M. T. J. E. Contact-dependent killing by Caulobacter crescentus via cell surface-associated, glycine zipper proteins. Elife. 6, 24869 (2017).
- Stubbendieck, R. M., Straight, P. D. Multifaceted interfaces of bacterial competition. Journal of bacteriology. 198 (16), 2145-2155 (2016).
- Cornforth, D. M., Foster, K. R. Antibiotics and the art of bacterial war. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (35), 10827-10828 (2015).
- Shank, E. A., Kolter, R. New developments in microbial interspecies signaling. Current Opinion in Microbiology. 12 (2), 205-214 (2009).
- Roelofs, K. G., Coyne, M. J., Gentyala, R. R., Chatzidaki-Livanis, M., Comstock, L. E. Bacteroidales secreted antimicrobial proteins target surface molecules necessary for gut colonization and mediate competition in vivo. MBio. 7 (4), e01055-e01016 (2016).
- Dey, A., Vassallo, C. N., Conklin, A. C., Pathak, D. T., Troselj, V., Wall, D. Sibling rivalry in Myxococcus xanthus is mediated by kin recognition and a polyploid prophage. Journal of bacteriology. 198 (6), (2016).
- Danka, E. S., Garcia, E. C., Cotter, P. A. Are CDI systems multicolored, facultative, helping greenbeards?. Trends in Microbiology. 25 (5), 391-401 (2017).
- Willett, J. L., Ruhe, Z. C., Coulding, C. W., Low, D. A., Hayes, C. S. Contact-dependent growth inhibition (CDI) and CdiB/CdiA two-partner secretion proteins. Journal of molecular biology. 427 (23), 3754-3765 (2015).
- Cianfanelli, F. R., Monlezun, L., Coulthurst, S. J. Aim, load, fire: the type VI secretion system, a bacterial nanoweapon. Trends in Microbiology. 24 (1), 51-62 (2016).
- Joshi, A., Kostiuk, B., Rogers, A., Teschler, J., Pukatzki, S., Yildiz, F. H. Rules of engagement: the type VI secretion system in Vibrio cholerae. Trends in microbiology. 25 (4), 267-279 (2017).
- Speare, L., et al. Bacterial symbionts use a type VI secretion system to eliminate competitors in their natural host. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (36), E8528-E8537 (2018).
- Shank, E. A. Using coculture to detect chemically mediated interspecies interactions. Journal of Visualized Experiments. (80), (2013).
- Long, R. A., Rowley, D. C., Zamora, E., Liu, J., Bartlett, D. H., Azam, F. Antagonistic interactions among marine bacteria impede the proliferation of Vibrio cholerae. Applied and Environmental Microbiology. 71 (12), 8531-8536 (2005).
- Dunn, A. K., Millikan, D. S., Adin, D. M., Bose, J. L., Stabb, E. V. New rfp-and pES213-derived tools for analyzing symbiotic Vibrio fischeri reveal patterns of infection and lux expression in situ. Applied and Environmental Microbiology. 72 (1), 802-810 (2006).
- Sana, T. G., et al. The second type VI secretion system of Pseudomonas aeruginosa strain PAO1 is regulated by quorum sensing and Fur and modulates internalization in epithelial cells. Journal of Biological Chemistry. 287 (32), 27095-27105 (2012).
- Bachmann, V., Kostiuk, B., Unterweger, D., Diaz-Satizabal, L., Ogg, S., Pukatzki, S. Bile salts modulate the mucin-activated type VI secretion system of pandemic Vibrio cholerae. PLoS. 9 (8), e0004031 (2015).
- Ishikawa, T., Rompikuntal, P. K., Lindmark, B., Milton, D. L., Wai, S. N. Quorum sensing regulation of the two hcp alleles in Vibrio cholerae O1 strains. PloS One. 4 (8), e6734 (2009).
- Ishikawa, T., et al. Pathoadaptive conditional regulation of the type VI secretion system in Vibrio cholerae O1 strains. Infection and immunity. 80 (2), 575-584 (2012).
- Pollack-Berti, A., Wollenberg, M. S., Ruby, E. G. Natural transformation of Vibrio fischeri requires tfoX and tfoY. Environmental Microbiology. 12 (8), 2302-2311 (2010).
- Meibom, K. L., Blockesh, M., Dolganov, N. A., Wu, C. Y., Schoolnik, G. K. Chitin induces natural competence in Vibrio cholerae. Science. 310 (5755), 1824-1827 (2005).
- Borgeaud, S., Metzger, L. C., Scrignari, T., Blockesh, M. The type VI secretion system of Vibrio cholerae fosters horizontal gene transfer. Science. 347 (6217), 63-67 (2015).
- Townsley, L., Mangus, M. P. S., Mehic, S., Yildiz, F. H. Response of Vibrio cholerae to low-temperature shift: CpsV regulates type VI secretion, biofilm formation, and association with zooplankton. Applied and Environmental Microbiology. 82 (14), 00807-00816 (2016).
- Huang, Y., et al. Functional characterization and conditional regulation of the type VI secretion system in Vibrio fluvialis. Frontiers in microbiology. 8, 528 (2017).
