Fern Magnetische Betätigung des Mikrometrische Sonden für<em> In situ</em> 3D-Mapping der bakteriellen Biofilm Physikalische Eigenschaften

Summary

Dieses Papier zeigt eine einzigartige Methodik auf der Fernbetätigung in einem bakteriellen Biofilm und die Entwicklung von speziellen magnetischen Pinzette, um in-situ-Messung der lokalen mechanischen Eigenschaften des Komplexes lebendiges Material durch Mikroorganismen an Grenzflächen gebaut ausgesät magnetischen Partikeln.

Abstract

Bakterielle Adhäsion und das Wachstum von Schnittstellen führen zur Bildung von dreidimensionalen heterogenen Strukturen sogenannten Biofilmen. Die Zellen Wohnung in diesen Strukturen werden durch physikalische Wechselwirkungen von einem Netzwerk von extrazellulären polymeren Substanzen vermittelte zusammengehalten. Bakterielle Biofilme Einflüsse auf viele Aktivitäten des Menschen und das Verständnis ihrer Eigenschaften ist entscheidend für eine bessere Kontrolle über ihre Entwicklung – Wartung oder Tilgung – in Abhängigkeit von ihrer negativen oder wirtschaftlichen Ergebnis. Dieses Dokument beschreibt ein neues Verfahren mit dem Ziel, in situ Messung der lokalen physikalischen Eigenschaften des Biofilms war, bis jetzt untersuchten nur aus einem homogenen Material und makroskopischen Perspektive. Das hier beschriebene Experiment beinhaltet die Einführung magnetischen Teilchen in einen wachsenden Biofilm zu lokalen Sonden, die aus der Ferne, ohne die strukturellen Eigenschaften des Biofilms zu stören betätigbaren Samen. Dedicated magnetischen Pinzette waren Entwickelt, um eine definierte Kraft auf jedes Teilchen im Biofilm eingebettet auszuüben. Das Setup ist auf der Bühne eines Mikroskops montiert, um die Aufnahme von Zeitraffer-Aufnahmen der Partikel-Ziehen Zeitraum zu ermöglichen. Die Trajektorien werden dann von der Ziehsequenz extrahiert und die lokalen viskoelastischen Parameter von jedem Teilchen-Kurve abgeleitet, wodurch die 3D-räumliche Verteilung der Parameter. Einblicke in den Biofilm mechanischen Profil ist wichtig, aus der Sicht eines Ingenieurs für Biofilm-Kontrolle, sondern auch aus fundamentaler Sicht, um die Beziehung zwischen den architektonischen Eigenschaften und der spezifischen Biologie dieser Strukturen zu klären.

Introduction

Bakterielle Biofilme sind Gemeinschaften von Bakterien, die mit biologischen oder künstlichen Oberflächen ^1-3 verbunden. Sie sind durch eine Haftwachstumsmechanismus gekoppelt mit der Herstellung von Polysaccharid-reichen extrazellulären Matrix, schützt und stabilisiert das Gebäude ^4,5. Diese Biofilme sind nicht nur passive Assemblagen von Zellen an Oberflächen stecken, aber organisiert und dynamische, komplexe biologische Systeme. Wenn Bakterien wechseln von planktonischen, um die Biofilm Lebensstil, sind Veränderungen in der Genexpression und Zellphysiologie und beobachtet, wie erhöhte Resistenz gegen antimikrobielle Mittel und Gastgeber Immunabwehr als der Ursprung von vielen persistenten und chronischen Infektionen ^6. Allerdings ist die kontrollierte Entwicklung dieser lebenden Strukturen bieten auch Chancen für Industrie-und Umweltanwendungen, wie Sanierung von Altlasten, Bio-Filtration von Brauchwasser oder die Bildung von Bio-Barrieren für Boden und Grundwasser aus Contamin schützenation.

Während spezifische Biofilm Lebens molekularen Eigenschaften werden zunehmend beschrieben, sind die Mechanismen, die die Entwicklung der Gemeinschaft und Ausdauer unklar. Mit den jüngsten Fortschritten auf mikro-elektrochemischen Messungen unter Verwendung von Scanning-oder Fluoreszenzmikroskopie sind diese lebenden Organisationen wurde gezeigt, weisen erhebliche strukturelle, chemische und biologische Heterogenität ^7. Doch bis jetzt Biofilmmechanik wurden hauptsächlich makroskopisch untersucht. Zum Beispiel Beobachtung von Biofilm Schlangen Verformung aufgrund von Variationen in Fluidströmungsraten ^8,9, uniaxiale Kompression der Biofilm Stücke heben von Agar-Medium gezüchtet oder auf der Hülle gleitet, ^10,11, Scherung von Biofilm aus der Umgebung aufgefangen und dann in einen parallel übertragen Platte-Rheometer ^12,13, Atomkraftspektroskopie mit einer Glasperle und beschichtet mit einer bakteriellen Biofilm zu einer AFM-Cantilever ¹⁴ oder einem dedizierten MICR befestigtocantilever Verfahren zur Messung der Zugfestigkeit von Biofilm abgelöst ^15,16 Fragmente wurden in den letzten zehn Jahren umgesetzt worden, die nützliche Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften des Materials ^17. Jedoch ist es wahrscheinlich, dass die Informationen über in situ Biofilm mechanischen Eigenschaften gehen verloren, wenn das Material aus seiner nativen Umgebung, die häufig in diesen Ansätzen der Fall war entfernt. Darüber hinaus ist die Behandlung des Biofilms als homogenes Material fehlt die Information über die mögliche Heterogenität der physikalischen Eigenschaften innerhalb der Gemeinschaft. Daher können die genauen Auswirkungen der Strukturmechanik in der Biofilmbildung und biologische Eigenschaften wie Genexpression Strukturierung oder chemischen Gradienten kaum erkannt werden. Um zu einer Mikro Beschreibung der physikalischen Eigenschaften Biofilm fortschreiten, werden neue dedizierte Werkzeuge erforderlich.

Dieses Papier Details einen originellen Ansatz entwickelt, um zu erreichenMessung der lokalen mechanischen Parameter in situ, ohne den Biofilm zu stören und damit Zeichnung der räumlichen Verteilung der Mikromaterialeigenschaften und dann die mechanische Heterogenität. Das Prinzip des Experiments beruht auf der Dotierung des wachsenden Biofilm mit magnetischen Mikropartikeln, gefolgt von deren Fernladen mit magnetischen Pinzette in der reifen Biofilm. Partikelverschiebung unter kontrollierten Magnetkraft-Anwendung unter dem Mikroskop abgebildet ermöglicht lokalen viskoelastischen Parameter Ableitung, jedes Teilchen seine eigene lokale Berichterstattung Umwelt. Aus diesen Daten kann die mechanische 3D-Profil des Biofilms gezogen werden, offenbart räumlichen und ökologischen Zustand Abhängigkeiten. Das ganze Experiment wird hier auf einem E. gezeigt werden, coli Biofilm von einer gentechnisch veränderten Stamm, der eine dereprimierten F-Plasmid wie gemacht. Die Ergebnisse in einer aktuellen Papier ¹⁸ beschrieben eine einzigartige Sicht des Inneren des intakten Biofilm Mechanik.

Protocol

1. Bakterien, Kultur und Hänge Vorbereitung Wählen Sie einen frisch gewachsenen Kolonie von einer Lysogenität Broth (LB)-Agar-Platte, impfen sie in 5 ml flüssigem LB-Medium mit 100 μ g / ml Ampicillin und 7,5 μ g / ml Tetracyclin und Inkubation es für 5 bis 6 Stunden bei 37 ° C auf eine schwankende Plattform. Dann wird mit 100 μ l der Bakterienkultur in 5 ml Minimalmedium (M63B1) mit 0,4% Glucose und die gleichen Konzentrationen an Antibiotikum ergänzt. Inkubatio…

Representative Results

Eine typische Analyse der räumlichen Verteilung der viskoelastischen Parameter im Mikrometerbereich auf einem Biofilm lebenden bereitzustellen, ohne seine ursprüngliche Anordnung stören. Die elastische Nachgiebigkeit – – in Abhängigkeit von der z-Achse entlang der Tiefe und der y-Achse entlang einer lateralen Abmessung des Biofilms gegeben Typische Ergebnisse sind in Figur 7, wo die Werte von J 0 gezeigt. Jeder Punkt entspricht einer Perle, die Kriech-Kurvenanalyse hat eine J 0-Wert<…

Discussion

Diese Magnetpartikel Säen und Ziehen Experiment in situ 3D-Mapping der viskoelastischen Parameter eines wachsenden Biofilm in seinen ursprünglichen Zustand aktiviert. Dieser Ansatz zeigte die mechanische Heterogenität der E. coli Biofilm hier aufgewachsen und gab Hinweise darauf hinweisen, die Biofilm-Komponenten unterstützen die Biofilm-physikalischen Eigenschaften, was stark darauf hindeutet eine fundamentale Implikation der extrazellulären Matrix und genauer den Grad der Vernetzung.

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Materials

Table 1: Reagents and cells
Magnetic particles	Life technologies	14307D	Micrometric magnetic particle, 2.8 µm diameter
Ampicillin (Antibiotic)	Sigma-Aldrich	A9518
Tetracycline (Antibiotic)	Sigma-Aldrich	87128
Bacterial strain MG1655gfpF	UGB, Institut Pasteur, France		produces F pili at its surface, resistant to Ampicilllin and tetracycline
Table 2:  Capillaries and tubing
Filters for pediatric perfusion	Prodimed-Plastimed	6932002
Hollow Square Capillaries	Composite Metal Scientific	8280-100	Manufactured in Borosilicate glass. Square 0.8mm x0.8mm
Tubing silicone peroxyde	VWR international	228-0512	Diameter 1mm
Tubing silicone peroxyde	VWR international	228-0700	Diameter 3mm
Table 3: Biofilm growth
Lysogeny Broth (LB) solution	Amresco-VWR	J106-10PK	standard medium used to grow bacteria
M63B1 solution	Home-made		Standard minimum  medium used to grow bacteria
Glucose	Sigma-Aldrich	G8270	Used to make M63B1 medium with 0.4% glucose
Table 4: Electronics
Camera EMCCD	Hamamatsu	C9100-02
Heater controller	World precision instruments	300354
Function generator	Agilent technologies	33210A
Power amplifier	Home-made		It gives a current signal with amplitudes up to 4 A.
Syringe pumps	Kd Scientific	KDS-220
Shutter	Vincent Associates	Uniblitz T132
Magnetic tweezers	Home-made		Two electromagnetic poles, each made of a copper coil with 2,120 turns of 0.56 mm in diameter copper wire and soft magnetic alloy cores (Supra50-Arcelor Mittal, France) square shaped according to the blueprint shown in Fig. 10. The two cores are mounted north pole facing south pole, in order to generate a magnetic force in one direction along the length of the capillary. See coil wiring details in Figure 11.
Table 5: Optics
Inverted microscope	Nikon	TE-300
S Fluor x40 Objective (NA 0.9, WD0.3)	Nikon		This a long working distance ojective enabling observation of the biofilm in the depth
Epifluorescence filters: 1) for green fluorescence: Exc 480/20 nm; DM 495; Em 510/20  2) for Red fluorescence: Exc 540/25 nm; DM 565; Em 605/55	Chroma	1)#49020 2)#31002	Particle displacement upon force application is recorded using the red fluoresecnce filter block.
Table 6: Image analysis
ImageJ	NIH – particle tracker plugin