Ensayo de Chemotaxis Situ para Examinar el Comportamiento Microbiano en Ecosistemas Acuáticos
Summary
Aquí se presenta el protocolo para un ensayo de quimiotaxis in situ, un dispositivo microfluídico desarrollado recientemente que permite estudios de comportamiento microbiano directamente en el medio ambiente.
Abstract
Los comportamientos microbianos, como la motilidad y la quimiotaxis (la capacidad de una célula para alterar su movimiento en respuesta a un gradiente químico), están muy extendidos en los dominios bacteriano y arqueal. La quimiotaxis puede dar lugar a ventajas sustanciales de adquisición de recursos en entornos heterogéneos. También desempeña un papel crucial en las interacciones simbióticas, enfermedades, y procesos globales, como el ciclo biogeoquímico. Sin embargo, las técnicas actuales restringen la investigación de quimiotaxis al laboratorio y no son fácilmente aplicables en el campo. Aquí se presenta un protocolo paso a paso para el despliegue del ensayo de quimiotaxis in situ (ISCA), un dispositivo que permite un interrogatorio robusto de quimiotaxis microbiana directamente en el entorno natural. El ISCA es un dispositivo microfluídico que consiste en una matriz de 20 pozos, en la que se pueden cargar productos químicos de interés. Una vez desplegados en ambientes acuosos, los productos químicos se difunden fuera de los pozos, creando gradientes de concentración que los microbios detectan y responden nadando en los pozos a través de la quimiotaxis. El contenido del pozo se puede muestrear y utilizar para (1) cuantificar la fuerza de las respuestas quimiotácticas a compuestos específicos a través de la citometría de flujo, (2) aislar y cultivar microorganismos sensibles, y (3) caracterizar la identidad y el potencial genómico de las poblaciones que responden a través de técnicas moleculares. La ISCA es una plataforma flexible que se puede implementar en cualquier sistema con una fase acuosa, incluyendo ambientes marinos, de agua dulce y de suelo.
Introduction
Diversos microorganismos utilizan motilidad y quimiotaxis para explotar ambientes de nutrientes irregulares, encontrar huéspedes, o evitar condiciones perjudiciales1,2,3. Estos comportamientos microbianos pueden a su vez influir en las tasas de transformación química4 y promover asociaciones simbióticas en los ecosistemas terrestres, de agua dulce y marinos2,,5.
La quimiotaxis ha sido ampliamente estudiada en condiciones de laboratorio durante los últimos 60 años6. El primer método cuantitativo para estudiar la quimiotaxis, el ensayo capilar, consiste en un tubo capilar lleno de un quimioatractante putativo sumergido en una suspensión de bacterias6. La difusión del producto químico fuera del tubo crea un gradiente químico, y las bacterias quimiotácticas responden a este gradiente migrando al tubo7. Desde el desarrollo del ensayo capilar, todavía ampliamente utilizado hoy en día, se han desarrollado muchas otras técnicas para estudiar la quimiotaxis en condiciones físicas/químicas cada vez más controladas, con la más reciente implicación del uso de microfluidos8,,9,,10.
Los microfluídicos, junto con la microscopía de vídeo de alta velocidad, permiten rastrear el comportamiento de las células individuales en respuesta a gradientes cuidadosamente controlados. Aunque estas técnicas han mejorado enormemente nuestra comprensión de la quimiotaxis, se han limitado al uso en laboratorio y no se traducen fácilmente en el despliegue de campo en los sistemas ambientales. Como consecuencia, no se ha examinado la capacidad de las comunidades naturales de bacterias para utilizar quimiotaxis dentro de los ecosistemas naturales; por lo tanto, la comprensión actual de la importancia ecológica potencial de la quimiotaxis está sesgada hacia condiciones de laboratorio artificiales y un número limitado de aislados bacterianos cultivados en laboratorio. El ISCA recientemente desarrollado supera estas limitaciones11.
La ISCA se basa en el principio general del ensayo capilar; sin embargo, hace uso de técnicas modernas de microfabricación para entregar una plataforma experimental altamente replicada y fácilmente desplegable para la cuantificación de la quimiotaxis hacia compuestos de interés en el medio natural. También permite la identificación y caracterización de microorganismos quimiotácticos mediante aislamiento directo o técnicas moleculares. Mientras que el primer dispositivo de trabajo fue autofabricado y construido de vidrio y PDMS11, la última versión moldeada por inyección se compone de policarbonato, utilizando un procedimiento de fabricación altamente estandarizado (para el interés en la última versión del dispositivo, se puede contactar con los autores correspondientes).
El ISCA es del tamaño de una tarjeta de crédito y consta de 20 pozos distribuidos en una matriz de 5 x 4 pozos, cada uno vinculado al medio acuático externo por un pequeño puerto (800 m de diámetro; Figura 1). Los quimioatractantes putativos cargados en los pozos se difunden en el medio ambiente a través del puerto, y los microbios quimiotácticos responden nadando a través del puerto en el pozo. Como muchos factores pueden influir en el resultado de un experimento ISCA en el entorno natural, este protocolo paso a paso ayudará a los nuevos usuarios a superar posibles obstáculos y facilitar implementaciones eficaces.
Protocol
Representative Results
Discussion
A escala de microorganismos acuáticos, el medio ambiente está lejos de ser homogéneo y a menudo se caracteriza por gradientes físicos/químicos que estructuran las comunidades microbianas1,,15. La capacidad de los microorganismos móviles para utilizar el comportamiento (es decir, quimiotaxis) facilita la bifurcación dentro de estos microambientes heterogéneos1. Estudiar la quimiotaxis directamente en el medio ambiente tiene el poten…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada en parte por la Iniciativa de Microbiología Marina de la Fundación Gordon y Betty Moore, a través de la subvención GBMF3801 a J.R.S. y R.S., y un Premio investigador (GBMF3783) a R.S., así como una beca del Consejo Australiano de Investigación (DE160100636) a J.B.R., un premio de la Fundación Simons a B.S.L. (594111), y una subvención de la Fundación Simons (542395) a R.S. como parte de la Colaboración de Principios de Ecosistemas Microbianos (PriME).
Materials
| Acrylic glue | Evonik | 1133 | Acrifix 1S 0116 |
| Acrylic sheet | McMaster-Carr | 8505K725 | Or different company |
| Adhesive tape | Scotch | 3M 810 | Scotch Magic tape |
| Autoclave | Systec | D-200 | Or different company |
| Benchtop centrifuge | Fisher Scientific | 75002451 | Or different company |
| Bungee cord | Paracord Planet | 667569184000 | Or different company |
| Centrifuge tube – 2 mL | Sigma Aldrich | BR780546-500EA | Eppendorf tube |
| Conical centrifuge tube – 15 mL | Fisher Scientific | 11507411 | Falcon tube |
| Conical centrifuge tube – 50 mL | Fisher Scientific | 10788561 | Falcon tube |
| Deployment arm | Irwin | 1964719 | Or different company |
| Deployment enclosure plug | Fisher Scientific | 21-236-4 | See alternatives in manuscript |
| Disposable wipers | Kimtech – Fisher Scientific | 06-666 | Kimwipes |
| Flow cytometer | Beckman | C09756 | CYTOFlex |
| Glutaraldehyde 25% | Sigma Aldrich | G5882 | Or different company |
| Green fluorescent dye | Sigma Aldrich | S9430 | SYBR Green I – 1:10,000 final dilution |
| Hydrophilic GP filter cartridge – 0.2 µm | Merck | C3235 | Sterivex filter |
| In Situ Chemotaxis Assay (ISCA) | – | – | Contact corresponding authors |
| Laser cutter | Epilog Laser | Fusion pro 32 | Or different company |
| Luria Bertani Broth | Sigma Aldrich | L3022 | Or different company |
| Marine Broth 2216 | VWR | 90004-006 | Difco |
| Nylon slotted flat head screws | McMaster-Carr | 92929A243 | M 2 × 4 × 8 mm |
| Pipette set | Fisher Scientific | 05-403-151 | Or different company |
| Pipette tips – 1 mL | Fisher Scientific | 21-236-2A | Or different company |
| Pipette tips – 20 µL | Fisher Scientific | 21-236-4 | Or different company |
| Pipette tips – 200 µL | Fisher Scientific | 21-236-1 | Or different company |
| Sea salt | Sigma Aldrich | S9883 | For artificial seawater |
| Serological pipette – 50 mL | Sigma Aldrich | SIAL1490-100EA | Or different company |
| Syringe filter – 0.02 µm | Whatman | WHA68091002 | Anatop filter |
| Syringe filter – 0.2 µm | Fisher Scientific | 10695211 | Or different company |
| Syringe needle 27G | Henke Sass Wolf | 4710004020 | 0.4 × 12 mm |
| Syringes – 1 mL | Codau | 329650 | Insulin Luer U-100 |
| Syringes – 10 mL | BD | 303134 | Or different company |
| Syringes – 50 mL | BD | 15899152 | Or different company |
| Tube rack – 15 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Or different company |
| Tube rack – 50 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Or different company |
| Uncoated High-Speed Steel General Purpose Tap | McMaster-Carr | 8305A77 | Or different company |
| Vacuum filter – 0.2 µm | Merck | SCGPS05RE | Steritop filter |
Referências
- Stocker, R. Marine microbes see a sea of gradients. Science. 338, 628-633 (2012).
- Raina, J. B., Fernandez, V., Lambert, B., Stocker, R., Seymour, J. R. The role of microbial motility and chemotaxis in symbiosis. Nature Reviews Microbiology. 17, 284-294 (2019).
- Chet, I., Asketh, P., Mitchell, R. Repulsion of bacteria from marine surfaces. Applied Microbiology. 30, 1043-1045 (1975).
- Smriga, S., Fernandez, V. I., Mitchell, J. G., Stocker, R. Chemotaxis toward phytoplankton drives organic matter partitioning among marine bacteria. PNAS. 113, 1576-1581 (2016).
- Matilla, M., Krell, T. The effect of bacterial chemotaxis on host infection and pathogenicity. FEMS Microbiology Reviews. 42, (2018).
- Adler, J. Chemotaxis in bacteria. Science. 153, 708-716 (1966).
- Adler, J., Dahl, M. M. A method for measuring the motility of bacteria and for comparing random and non-random motility. Journal of General Microbiology. 46, 161-173 (1967).
- Ahmed, T., Shimizu, T. S., Stocker, R. Microfluidics for bacterial chemotaxis. Integrative Biology. 2, 604-629 (2010).
- Hol, F. J. H., Dekker, C. Zooming in to see the bigger picture: microfluidic and nanofabrication tools to study bacteria. Science. 346, 1251821 (2014).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Lambert, B. S., et al. A microfluidics-based in situ chemotaxis assay to study the behaviour of aquatic microbial communities. Nature Microbiology. 2, 1344-1349 (2017).
- Marie, D., Partensky, F., Jacquet, S., Vaulot, D. Enumeration and cell cycle analysis of natural populations of marine picoplankton by flow cytometry using the nucleic acid stain SYBR Green I. Applied Environmental Microbiology. 63, 186-193 (1997).
- Rinke, C., et al. Obtaining genomes from uncultivated environmental microorganisms using FACS-based single-cell genomics. Nature Protocols. 9, 1038-1048 (2014).
- Gaworzewska, E. T., Carlile, M. J. Positive chemotaxis of Rhizobium leguminosarum and other bacteria towards root exudates from legumes and other plants. Microbiology. , (1982).
- Walker, T. S., Bais, H. P., Grotewold, E., Vivanco, J. M. Root exudation and rhizosphere biology. Plant Physiology. 132, 44-51 (2003).
