Için Mikrometrik Sondalar uzaktan manyetik uyarılı<em> In situ</emBakteriyel biyofilm Fiziksel Özelliklerinin> 3D Mapping

Summary

Bu çalışma, bir ince biyolojik bakteri tabakası ve in situ ara yüzeylerde mikro-organizmalar tarafından yapılmış karmaşık yaşam malzemenin lokal mekanik özelliklerini ölçmek için özel bir manyetik cımbız geliştirilmesi tohumlanmış manyetik parçacıkların uzaktan harekete dayalı orijinal bir yöntem göstermektedir.

Abstract

Arabirimlerde Bakteriyel yapışma ve bir büyüme üç boyutlu heterojen yapılar olarak adlandırılan biyofilm oluşumuna yol açar. Bu yapılar konut hücreler, hücre-dışı polimerik madde bir ağ aracılığı ile fiziksel etkileşimler ile bir arada tutulur. Bakteriyel biyofilm birçok insan faaliyetlerini etkileyecek ve onların özelliklerinin anlaşılması gelişim daha iyi bir kontrol için çok önemlidir – bakım veya eradikasyonu – bunların olumsuz ya da olumlu sonuca bağlı. Bu çalışma, şimdiye kadar, sadece bir makroskopik ve homojen malzeme açısından incelendiğinde, yerinde olmuştu biyofilm lokal fiziksel özellikleri ölçmek için hedefleyen yeni bir yöntem tarif eder. Burada tarif edilen deney, uzaktan biyofilm yapısal özelliklerini bozmadan işletilebilen lokal probları tohum için büyüyen bir biyofilm içine verilmesi manyetik parçacıklar içerir. Adanmış manyetik cımbız deve vardıbiyofilm gömülü her parçacık üzerinde tanımlı bir kuvvet uygulamak için miştir. Kurulum parçacık çekme dönemi time-lapse görüntülerin kaydını etkinleştirmek için bir mikroskop sahnede monte edilir. Parçacık yörüngeleri sonra çekme dizisinden ekstre edilir ve yerel viskoelastik parametreleri ve böylece parametrelerin 3D-uzaysal dağılımının sağlanması için, her parçacık deplasman eğrilerinden elde edilmiştir. Biyofilm mekanik profili içine anlayışlar kazanıyor mimari özellikleri ve bu yapıların belirli biyoloji arasındaki ilişkiyi netleştirmek için biyofilm kontrol amaçlı bakış bir mühendisin açısından değil, aynı zamanda temel bir bakış açısıyla esastır.

Introduction

Bakteriyel biyofilm biyolojik veya yapay zeminlerde ^1-3 ile bağlantılı bakteri toplulukları vardır. Bunlar, bu yapı ^4,5 korur ve stabilize polisakarit açısından zengin hücre-dışı matrisin üretimi ile bağlanmış bir yapışma büyüme mekanizma ile oluştururlar. Bu biyofilm yüzeylere yapışmış hücrelerin sadece pasif topluluğu değil, ama örgütlü ve dinamik, karmaşık biyolojik sistemleri. Bakteri biyofilm yaşam tarzına planktonik geçtiğinizde, gen ifadesi ve hücre fizyolojisi değişiklikleri antimikrobiklere artan direnci yanı sıra gözlenen ve bir çok kalıcı ve kronik enfeksiyonların ⁶ kökenli olmanın bağışıklığı ev sahipliği vardır. Ancak, bu canlı yapıların kontrollü gelişimi de bu tür tehlikeli atık sahalarının biyoremediasyonda, endüstriyel su veya Kirlenmiş toprağı ve yeraltı sularını korumak için biyo-engellerin oluşumu biyo-filtre olarak endüstriyel ve çevre uygulamaları için fırsatlar sunuyortirme.

Yaşam biyofilm şekilde spesifik moleküler özellikleri giderek tarif edilirken, toplum kalkınması ve sebat sürüş mekanizmalar belirsizdir. Tarama elektrokimyasal veya floresan mikroskobu kullanarak microscale ölçümlerde son gelişmeleri kullanarak, bu canlı örgütler yapısal, kimyasal ve biyolojik heterojenite ⁷ önemli sergiledikleri gösterilmiştir. Oysa, şimdiye kadar, biyofilm mekaniği ağırlıklı makroskopik incelenmiştir. Örneğin, biyofilm flamalar gözlenmesi nedeniyle sıvı akış oranlarında ^8,9 değişimlere deformasyon, biyofilm adet tek eksenli sıkıştırma agar ortamından kaldırın veya kapak sonra ^10,11, çevreden toplanan biyofilm kesme ve bir paralel transfer slaytlar üzerinde büyüdü plaka rheometre ^12,13, AFM konsol ¹⁴ veya özel bir MICR bağlı bir bakteriyel biyofilm ile cam boncuk ve kaplamalı kullanarak atomik kuvvet spektroskopisimüstakil biyofilm parçalarının ^15,16 çekme kuvvetinin ölçülmesi için ocantilever yöntem olup, malzeme ¹⁷ viskoelastik doğası hakkında yararlı bilgi veren, son on yıl içinde uygulanmıştır. Ancak, bu madde genellikle bu yaklaşımlarda olduğu ve kendi doğal çevresi, çıkarıldığında in situ biyofilm mekanik özellikleri üzerinde bilgiler kaybolur gibi görünmektedir. Ayrıca, homojen bir malzeme olarak biyofilm tedavi toplum içinde fiziksel özelliklerinin olası heterojenliği hakkında bilgi kaçırır. Bu nedenle, yapı, biyofilm içinde mekanik ve bu gen ifadesi modelleme veya kimyasal gradyanlar gibi biyolojik özelliklerin tesisinin etkileri hemen hemen tanınabilir. Biyofilm fiziksel özelliklerinin bir mikro tanımı doğru ilerlemeye, yeni özel aletler gereklidir.

Bu kağıt elde etmek için tasarlanmış özgün bir yaklaşım detaylarıbiyofilm rahatsız ve mikro malzeme özelliklerinin mekansal dağılımı çizim ve daha sonra mekanik heterojenliğini sağlayan olmadan yerinde yerel mekanik parametrelerin ölçümü. Deneyin ilkesi, olgun biyofilm manyetik cımbız kullanarak uzaktan yükleme ardından manyetik mikro büyüyen bir biyofilm doping üzerinde durmaktadır. Mikroskop altında görüntülenmiş kontrollü manyetik kuvvet uygulaması altında parçacık deplasman yerel viskoelastik parametresi türetme, kendi yerel çevre raporlama her parçacık sağlar. Bu verilerden, biyofilm 3B mekanik profil mekansal ve çevresel durum bağımlılıkları açığa çizilebilir. Bütün deney, E. burada gösterilir Bir zorlandığı F-benzeri plazmid taşıyan bir genetiği suşu tarafından yapılan coli biyofilm. Son kağıt ^18'de detaylı sonuçlar bozulmamış biyofilm mekaniğinin iç benzersiz bir vizyon sağlar.

Protocol

1.. Bakteriler Kültür ve Süspansiyon Hazırlanması , Bir lizojeni Broth (LB) agar plakasından bir taze koloni yetiştirilen Seçim sıvı LB ortamı içerisinde 100 μ g / ml ampisilin ve 7.5 μ g / ml tetrasiklin ihtiva eden 5 ml içinde inoküle ve 37 ° C'de 5-6 saat süreyle inkübe bir çalkalama platformu. Daha sonra, en az ortam (M63B1)% 0.4 glikoz ve aynı antibiyotik konsantrasyonları ile desteklenmiş 5 ml bakteri kültürü 100 μ ilave edin. Bir çalk…

Representative Results

Tipik bir analiz orijinal düzeni bozmadan canlı bir biyofilm üzerinde mikron ölçeğinde viskoelastik parametrelerin dağılımını sağlar. Elastik uyumluluk – – derinliği boyunca ve biyofilm bir yan boyut boyunca y-ekseninin z-ekseninin bir fonksiyonu olarak verilir Tipik sonuçlar J 0 değerleri Şekil 7 'de gösterilmiştir. Her nokta sürünme eğrisi analizi J 0 değer sağlamıştır bir boncuk karşılık gelir. Veri neredeyse üç büyüklükte emir ama aynı zam…

Discussion

Bu manyetik parçacık tohumlama ve özgün durumuna büyüyen bir biyofilm viskoelastik parametrelerinin yerinde 3D ​​haritalama etkin deney çekerek. Bu yaklaşım E. mekanik heterojenitesini ortaya coli biyofilm burada büyüyen ve güçlü bir temel hücre dışı matrisin anlamı ve çapraz bağlama derecesini daha doğrusu düşündüren, biyofilm fiziksel özellikleri destekleyen biyofilm bileşenleri işaret ipuçları verdi.

Biyolojik bakteri …

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