Биофизический Характеристика функций флагеллярный Motor
Summary
Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.
Abstract
The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel in response to a variety of environmental stimuli and are among the triggers for surface colonization and infections. The precise mechanisms by which motors remodel and promote cellular adaptation likely depend on key motor attributes. The photomultiplier-based bead-tracking technique presented here enables accurate biophysical characterization of motor functions, including adaptations in motor speeds and switch-dynamics. This approach offers the advantage of real-time tracking and the ability to probe motor behavior over extended durations. The protocols discussed can be readily extended to study flagellar motors in a variety of bacterial species.
Introduction
Флагеллярный моторы позволяют клеткам плавать путем вращения спиральных внеклеточные нити. Величина крутящего момента двигателя может генерировать для заданной длины жгутика (т.е. вязкое нагрузки) определяет скорость плавания. С другой стороны, его способность переключать направление вращения контролирует миграцию клеток в ответ на химические вещества, процесс, известный как хемотаксис. Хемотаксиса и моторику быть факторов вирулентности 1-3, жгутиковые моторы были хорошо охарактеризованный в течение многих лет 4. Монтаж доказательств в настоящее время предполагает , что двигатель работает как mechanosensor – механически обнаруживает присутствие твердых субстратов 5,6. Эта способность , вероятно , помогает в инициировании поверхности колонизации и инфекции 5,7. В результате, механизмы , посредством чего двигатель органов чувств поверхности и инициирует передачу сигналов имеют значение 8,9.
Флагеллярный двигатель может быть легко изучена привязывать к flagellмкм на подложку, и наблюдая вращение клеток. Такое прикрепление впервые была достигнута Silverman и Саймона, который работал с polyhook мутанта в E.coli и успешно прикрепленными крючками на стеклянных подложках с анти-крючками антител 10. Анализ привязанный-клеток позволило исследователям изучить ответы мотор-переключателя на различные химические раздражители. Например, Сегалл и сотрудниками химически стимулировали привязных клеток с помощью ионофореза пипеток. Соответствующие изменения в CW смещения (доли времени двигателей вращаются по часовой стрелке, CW) позволило им измерить кинетики адаптации в хемотаксиса сети 11,12. В то время как анализ привязи клеток был эффективен при изучении ответов переключателя, он был только в состоянии дать представление о автомехаников в ограниченном диапазоне нагрузок вязких 13. Чтобы преодолеть эту проблему, Рю и его сотрудники привязных сферических латексных бисером нити накала заглушек на клетки, застрявших на поверхности. Шарикизатем отслеживается с помощью обратного фокусного интерферометрии со слабыми оптическими ловушками 14. Работая с бисером разных размеров, исследователи смогли изучить двигатель в гораздо более широком диапазоне нагрузок. Этот анализ был позже улучшен Юань и Берг, который разработал ФЭУ на основе методики шарика слежения в сочетании с лазерной темнопольной освещения. Их метод позволил трекинга привязных золота nanobeads , которые были настолько малы (~ 60 нм) , что внешние вязкие сопротивления были ниже по сравнению с внутренними вязкими сопротивлений вращения 15,16. Это привело к измерениям максимально достижимой скорости в E.coli (~ 300 Гц). В В. alginolyticus, подобные бусинки анализы позволили измерения скорости прядения при промежуточных вязких нагрузках (~ 700 Гц) 17. Обеспечивая измерения двигательных реакций во всем возможном диапазоне вязких нагрузок (от нулевой нагрузки до ближайшей кабинке), шарик-анализы обеспечили важный биофизический инструмент, чтобы понять тПроцесс Orque поколения 18,19.
Недавно мы изменили анализ Юань-Берг включают в себя оптические пинцеты , которые позволили нам применить точные механические стимулы для отдельных двигателей 6. Используя эту технику, мы показали, что силовые генераторы, которые вращают двигатель являются динамическими механосенсоров – они реконструируют в ответ на изменения в вязких нагрузок. Возможно, что такие нагрузки зондирования вызывает дифференцировку клеток в роящимися бактерий, хотя механизмы остаются неясными. Также вероятно , что жгутиковые моторы у других видов также являются механочувствительных 20, хотя прямых доказательств не хватает. Здесь мы рассмотрим фотоумножителя на основе (ФЭУ) подход для отслеживания вращения латексными шариками привязанных к жгутиковых нитей 15. По сравнению с трекинг с сверхбыстрых камерами, ФЭУ-установки является предпочтительным, так как оно является относительно простым для отслеживания одиночных бусин в режиме реального времени, и в течение длительного ТМОции. Это особенно полезно при изучении давний ремоделирования в жгутиковых двигательных комплексов за счет внешних стимулов 21. Хотя мы и протоколы подробно конкретно в отношении E.coli, они могут быть легко адаптированы для изучения жгутиковых моторов у других видов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для того чтобы облегчить привязанный шарик-отслеживание и правильную оценку моторных крутящих моментов, следующая информация должна быть пересмотрена. При выполнении этих измерений с помощью жгутиковых клеток, отрезные является важным шагом. Стрижка уменьшает флагеллярной нить к пр…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge Howard Berg for the gift of the bead-tracking microscope/photomultipliers and the Texas A&M Engineering Experiment Station for funds.
Materials
| Poly-L-lysine Solution (0.1%) | Sigma-Aldrich | P8920 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en®ion=US |
| Polybead Microspheres | Polysciences, Inc. | 7307 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en®ion=US |
| 1 ml Luer Slip Tip Syringe | Exel Int. | 26048 | http://www.exelint.com/tuberculin_syringes.php |
| Clay Adams Intramedic Luer-Stub Adapter 23-gauge | Becton, Dickinson and Company | 427565 | http://www.bd.com/ds/productCenter/ES-LuerStubAdaptors.asp |
| Polyethylene tubing | Harvard Apparatus | 59-8325 | http://www.harvardapparatus.com/laboratory-polye-polyethylene-non-sterile-tubing.html |
| Photomultiplier Tubes | Hamamatsu | R7400U-20 | Spectral response range of 300 to 920 nm, Peak wavelength 630 nm, 0.78 ns response time http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/212308/HAMAMATSU/R7400U-20.html |
| 3×1 mm precision slits | Edmund Optics | NT39-908 | 2 slits mounted at right angles to one another on photomultiplier tubes |
| Oscilloscope | Tektronix | TBS 1032B | Alternative brands are acceptable. Digital Oscilloscope, TBS 1000B Series, 2 Analogue, 30 MHz, 500 MSPS, 2.5 kpts http://www.tek.com/oscilloscope/tbs1000b-digital-storage-oscilloscope |
| 8 Pole LP/HP Filter | Krohn-Hite | 3384 | Alternative brands are acceptable. A frequency range from 0.1 Hz to 200 kHz is recommended. http://www.krohn-hite.com/htm/filters/PDF/3384Data.pdf |
| Optiphot microscope | Nikon | NA | Any upright or inverted phase microscope can be used. https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=754 |
| 50:50 (R:T) Cube Beamsplitter | ThorLabs | BS013 |
Referências
- Emody, L., Kerenyi, M., Nagy, G. Virulence factors of uropathogenic Echerichia coli. Int J Antimicrob. Ag. 22, 29-33 (2003).
- Lane, M. C., et al. Role of motility in the colonization of uropathogenic Escherichia coli in the urinary tract. Infect Immun. 73 (11), 7644-7656 (2005).
- Kao, C. Y., et al. The complex interplay among bacterial motility and virulence factors in different Escherichia coli infections. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 33 (12), 2157-2162 (2014).
- Berg, H. C. The rotary motor of bacterial flagella. Annu Rev Biochem. 72, 19-54 (2003).
- McCarter, L., Hilmen, M., Silverman, M. Flagellar Dynamometer Controls Swarmer Cell Differentiation of V. parahaemolyticus. Cell. 54 (3), 345-351 (1988).
- Lele, P. P., Hosu, B. G., Berg, H. C. Dynamics of mechanosensing in the bacterial flagellar motor. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (29), 11839-11844 (2013).
- Gode-Potratz, C. J., Kustusch, R. J., Breheny, P. J., Weiss, D. S., McCarter, L. L. Surface sensing in Vibrio parahaemolyticus triggers a programme of gene expression that promotes colonization and virulence. Mol Microbiol. 79 (1), 240-263 (2011).
- Kearns, D. B. A field guide to bacterial swarming motility. Nat Rev Microbiol. 8 (9), 634-644 (2010).
- Belas, R. Biofilms, flagella, and mechanosensing of surfaces by bacteria. Trends Microbiol. 22 (9), 517-527 (2014).
- Silverman, M., Simon, M. Flagellar rotation and the mechanism of bacterial motility. Nature. 249, 73-74 (1974).
- Block, S. M., Segall, J. E., Berg, H. C. Adaptation Kinetics in Bacterial Chemotaxis. J Bacteriol. 154 (1), 312-323 (1983).
- Segall, J. E., Block, S. M., Berg, H. C. Temporal comparisons in bacterial chemotaxis. Proc Natl Acad Sci U S A. 83, 8987-8991 (1986).
- Blair, D. F., Berg, H. C. Restoration of torque in defective flagellar motors. Science. 242 (4886), 1678-1681 (1988).
- Ryu, W. S., Berry, R. M., Berg, H. C. Torque-generating units of the flagellar motor of Escherchia coli have a high duty ratio. Nature. 403, 444-447 (2000).
- Yuan, J., Berg, H. C. Resurrection of the flagellar rotary motor near zero load. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (4), 1182-1185 (2008).
- Yuan, J., Fahrner, K. A., Berg, H. C. Switching of the bacterial flagellar motor near zero load. J Mol Biol. 390 (3), 394-400 (2009).
- Sowa, Y., Hotta, H., Homma, M., Ishijima, A. Torque-speed Relationship of the Na+-driven Flagellar Motor of Vibrio alginolyticus. J Mol Biol. 327 (5), 1043-1051 (2003).
- Xing, J., Bai, F., Berry, R., Oster, G. Torque-speed relationship of the bacterial flagellar motor. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (5), 1260-1265 (2006).
- Meacci, G., Tu, Y. Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (10), 3746-3751 (2009).
- Lele, P. P., Roland, T., Shrivastava, A., Chen, Y. H., Berg, H. C. The flagellar motor of Caulobacter crescentus generates more torque when a cell swims backwards. Nat Phys. 12 (2), 175-178 (2016).
- Lele, P. P., Shrivastava, A., Roland, T., Berg, H. C. Response thresholds in bacterial chemotaxis. Sci Adv. 1 (9), e1500299 (2015).
- Berg, H. C., Turner, L. Torque Generated by the Flagellar Motor of Escherichia coli. Biophys J. 65, 2201-2216 (1993).
- Bai, F., et al. Conformational Spread as a Mechanism for Cooperativity in the Bacterial Flagellar Switch. Science. 327, 685-689 (2010).
- Reid, S. W., et al. The maximum number of torque-generating units in the flagellar motor of Escherichia coli is at least 11. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 8066-8071 (2006).
- Chen, X., Berg, H. C. Torque-Speed Relationship of the Flagellar Rotary Motor of Escherichia coli. Biophys J. 78, 1036-1041 (2000).
- Turner, L., Caplan, S. R., Berg, H. C. Temperature-induced switching of the bacterial flagellar motor. Biophys J. 71, 2227-2233 (1996).
