Monitorando a competição de subespécies em uma população de células bacterianas por cocultivação de cepas fluorescentes rotuladas

Summary

As bactérias podem acumular mutações prejudiciais ou benéficas durante a vida. Em uma população de células indivíduos que acumularam mutações benéficas podem rapidamente superar seus companheiros. Aqui apresentamos um procedimento simples para visualizar a competição de intraespécies em uma população de células bacterianas ao longo do tempo usando indivíduos rotulados fluorescentes.

Abstract

Muitos microrganismos, como bactérias, proliferam extremamente rápido e as populações podem atingir altas densidades celulares. Pequenas frações de células em uma população sempre têm mutações acumuladas que são prejudiciais ou benéficas para a célula. Se o efeito fitness de uma mutação fornece a subpopulação com uma forte vantagem de crescimento seletivo, os indivíduos desta subpopulação podem rapidamente superar e até eliminar completamente seus companheiros imediatos. Assim, pequenas alterações genéticas e acúmulo de células que adquiriram mutações benéficas podem levar a uma mudança completa do genótipo de uma população celular. Aqui apresentamos um procedimento para monitorar a rápida expansão clonal e a eliminação de mutações benéficas e prejudiciais, respectivamente, em uma população celular bacteriana ao longo do tempo por cocultivação de indivíduos fluorescentes rotulados da bactéria modelo Gram-positivo Bacillus subtilis. O método é fácil de executar e muito ilustrativo para exibir competição intraespécie entre os indivíduos em uma população celular bacteriana.

Introduction

As bactérias do solo são geralmente dotadas de redes regulatórias flexíveis e amplas capacidades metabólicas. Ambas as características permitem que as células ajustem suas vias catabólicas e anabólicas para competir com seus companheiros e outros microrganismos pelos nutrientes, que estão disponíveis em um determinado nicho ecológico¹. No entanto, se as bactérias não conseguem se adaptar ao seu ambiente, outros mecanismos podem explicar a sobrevivência de uma espécie. De fato, como muitas bactérias se proliferam rapidamente e as populações podem atingir altas densidades celulares, subpopulações podem ter mutações benéficas acumuladas espontaneamente que fornecem às células uma vantagem de crescimento seletiva e, portanto, aumentam sua aptidão. Além disso, hotspots mutacionais e mutagênese adaptativa induzida pelo estresse podem facilitar a evolução de uma bactéria mal adaptada^2,3. Assim, o acúmulo de mutações e crescimento sob seleção contínua é a origem da enorme diversidade microbiana, mesmo dentro do mesmo gênero^4,5. Como na natureza, a modelagem de genomas bacterianos também ocorre em laboratório devido ao cultivo contínuo em seleção. Isso é exemplificado pela domesticação da bactéria Gram-positive B. subtilis, que é usada mundialmente em pesquisa básica e na indústria. Na década de 1940, a subtilis foi tratada com raios-X prejudiciais ao DNA, seguido pelo cultivo sob uma condição específica de crescimento⁶. As mutações que se acumularam nas bactérias durante sua domesticação são responsáveis pela perda de muitas características de crescimento, ou seja, a cepa de laboratório B. subtilis 168 perdeu a capacidade de formar colônias complexas^7,8.

Hoje em dia, para as bactérias modelo mais bem estudadas Escherichia coli e B. subtilis,uma variedade de ferramentas poderosas está disponível para manipular geneticamente seus genomas a fim de abordar questões científicas específicas. Às vezes, a inativação de um gene de interesse causa um grave defeito de crescimento, que é então claramente visível no meio de crescimento padrão⁹. Em contraste, mutações que causam um fraco defeito de crescimento e, portanto, apenas afetam ligeiramente o condicionamento físico da cepa são muitas vezes ignoradas. No entanto, em ambos os casos a incubação prolongada e a passagem das cepas mutantes por várias gerações geralmente resultam no acúmulo de mutantes supressores que restauraram o fenótipo da cepa dos pais^2,9. A caracterização dos mutantes supressores e a identificação das mutações que restauraram o defeito de crescimento da cepa mutante dos pais é uma abordagem muito útil que permite a elucidação de processos celulares importantes e muitas vezes novos^10,11.

Estamos interessados no controle da homeostase glutamato em B. subtilis¹². Semelhante a E. coli, B. subtilis responde à perturbação da homeostase glutamato (ou seja,bloco na degradação do glutamato²) pelo acúmulo de mutantes supressores. As alterações genômicas nesses mutantes supressores que foram adquiridos por mutação espontânea foram demonstradas para restaurar rapidamente a homeostase glutamato^9,13. Portanto, não é de surpreender que a adaptação de B. subtilis a uma condição específica de crescimento durante a domesticação da bactéria seja espelhada na síntese enzimática e nas atividades enzimáticas evoluídas, que estão envolvidas no metabolismo do glutamato¹². Tem sido sugerido que a falta de glutamato exógeno no meio de crescimento durante o processo de domesticação foi a força motriz para o surgimento e fixação do gene dehidroase de glutamato enigmático (GDH) gudB^CR na cepa laboratorial 168^2,14. Esta hipótese é apoiada pela nossa observação de que a quantidade reduzida de atividade de GDH na cepa laboratorial fornece às bactérias uma vantagem de crescimento seletiva quando o glutamato exógeno é escasso². Além disso, o cultivo de uma cepa B. subtilis, sintetizando o GDH GudB, na ausência de glutamato exógeno resulta no acúmulo de mutantes supressores que inativaram o gene gudB ². Obviamente, a presença de um GDH catabolicamente ativo é desvantajosa para a célula porque o glutamato produzido endógenamente que poderia ser usado para o anabbolismo é degradado para amônio e 2-oxoglutarate(Figura 1). Em contraste, quando o glutamato é fornecido pelo meio, uma cepa B. subtilis equipada com atividade GDH de alto nível tem uma vantagem de crescimento seletiva sobre uma cepa que sintetiza apenas um GDH funcional. É razoável supor que a atividade gdh de alto nível permite que as bactérias utilizem o glutamato como segunda fonte de carbono, além de outras fontes de carbono fornecidas pelo meio² (ver Figura 1). Assim, a atividade GDH afeta fortemente o condicionamento físico das bactérias, dependendo da disponibilidade de glutamato exógeno.

Aqui apresentamos um método muito ilustrativo para monitorar e visualizar a competição intraespécie entre duas cepas de B. subtilis que diferem em um único lócus no cromossomo(Figura 2). As duas cepas foram rotuladas com os genes YFP e CFP codificando os fluoroforos YFP e CFP, e cocultivadas em diferentes condições nutricionais. Através da amostragem ao longo do tempo e emplacando diluições apropriadas em placas de ágar, os sobreviventes em cada uma das culturas poderiam ser facilmente monitorados usando um microscópio de fluorescência estéreo comum. O procedimento descrito neste artigo é fácil de realizar e adequado para visualizar a rápida expansão clonal e eliminação de mutações benéficas e prejudiciais, respectivamente, em uma população celular ao longo do tempo.

Protocol

1. Preparação de Placas de Ágar, Mídia de Cultura, Criostocks e Pré-Culturas Prepare a mídia de crescimento e os reagentes necessários (ver tabela de materiais e reagentes). Listrar as cepas B. subtilis (por exemplo. BP40 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-yfp) e BP52 (rocG+ gudB+ ame::PgudB-cfp) expressando um e dois GDHs ativos,respectivamente) 2 que…

Representative Results

O método aqui descrito foi aplicado com sucesso para visualizar a competição de intraespécies em uma população celular constituída por cepas de B. subtilis que foram rotuladas com os genes CFP e YFP codificando os fluoroforos CFP e YFP, respectivamente. Como mostrado na Figura 3,o método pode ser usado para visualizar a competição de intraespécies de forma muito ilustrativa. Ao detectar as amostras em pequenas áreas, a composição clonal da população celular torn…

Discussion

Vários métodos foram desenvolvidos para analisar a aptidão competitiva das bactérias¹⁶. Em muitos casos, as bactérias foram rotuladas com diferentes fitas de resistência a antibióticos¹⁷. Semelhante à nossa abordagem, a rotulagem das células com fitas de resistência a antibióticos permite a avaliação da aptidão competitiva das bactérias durante a cocultivação em condições de crescimento definidas. Além disso, este método pode ser usado para determinar a aptidão competitiva das …

Materials

(NH4)2SO4	Roth, Germany	3746	–
Agar	Difco, USA	214010	–
Ammonium ferric citrate (CAF)	Sigma-Aldrich, Germany	9714	–
CaCl2	Roth, Germany	5239	–
Glucose	Applichem, Germany	A3617	–
Glycerol	Roth, Germany	4043	–
K2HPO4 x 3 H2O	Roth, Germany	6878	–
KCl	Applichem, Germany	A3582	–
KH2PO4	Roth, Germany	3904	–
KOH	Roth, Germany	6751	–
MgSO4 x 7 H2O	Roth, Germany	P027	–
MnCl2	Roth, Germany	T881	–
MnSO4 x 4 H2O	Merck Millipore, Germany	102786	–
NaCl	Roth, Germany	9265	–
Nutrient broth	Roth, Germany	X929	–
Potassium glutamate	Applichem, Germany	A3712	–
Tryptone	Roth, Germany	8952	–
Tryptophan	Applichem, Germany	A3445	–
Yeast extract	Roth, Germany	2363	–
1.5 ml Reaction tubes	Sarstedt, Germany	72,690,001	–
2.0 ml Reaction tubes	Sarstedt, Germany	72,691	–
15 ml Plastic tubes with screw cap	Sarstedt, Germany	62,554,001	–
Petri dishes	Sarstedt, Germany	82.1473	–
1.5 ml Polystyrene cuvettes	Sarstedt, Germany	67,742	–
15 ml Glass culture tubes	Brand, Germany	7790 22	–
with aluminium caps
100 ml Shake flasks with aluminium caps	Brand, Germany	928 24	–
Sterile 10 ml glass pipettes	Brand, Germany	278 23	–
Incubator (28 and 37 °C)	New Brunswick	M1282-0012	–
Standard pipette set (2-20 μl, 10-100 μl, 100-1000 μl)	Eppendorf, Germany	4910 000.034, 4910 000.042,	–
		4910 000.042,
		4910 000.069
Table top centrifuge for 1.5 and 2 ml reaction tubes	Thermo Scientific, Heraeus Fresco 21, Germany	75002425	–
Table top centrifuge for 15 ml plastic tubes	Heraeus Biofuge Primo R, Germany	75005440	–
Standard spectrophotometer	Amersham Biosciences Ultrospec 2100 pro, Germany	80-2112-21	–
Stereofluorescence microscope	Zeiss SteREO Lumar V12, Germany	495008-0009-000	–
Freezer (-20 and -80 °C)	–	–	–
Fridge (4 °C)	–	–	–
Autoclave	Zirbus, LTA 2x3x4, Germany	–	–
pH meter	pH-meter 766, Calimatic, Knick, Germany	766	–
Vortex	Vortex  3, IKA, Germany	3340000	–
Balance	CP2202S, Sartorius, Germany	replaced by	–
		CPA2202S
Black pen (permanent marker)	Staedler, Germany	317-9	–
Powerpoint program	Microsoft, USA	–	–
Office Excel program	Microsoft, USA	–	Program for data processing
Adobe Photoshop CS5	Adobe, USA	replaced by CS6, download	Computer program for image processing
Computer	PC or Mac	–	–
ZEN pro 2011 software for the stereofluorescence microscope	Zeiss, Germany	410135 1002 110	AxioCam MRc Rev. Obtained through Zeiss
Specific solution recipes
SP medium
8 g Nutrient broth
0.25 mg MgSO4 x 7 H2O
1 g KCl
if required, add 15 g agar for solid SP medium
ad 1 l with H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
1 ml CaCl2 (0.5 M), sterilized by filtration
1 ml MnCl2 (10 mM) sterilized by filtration
2 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
LB medium
10 g Tryptone
5 g Yeast extract
10 g NaCl
if required, add 15 g agar for solid LB medium
ad 1 l with H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
C-Glc minimal medium
200 ml 5 x C salts
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml III’ salts
25 ml Glucose (20%), autoclaved for 20 min at 121 °C
ad 1 l with sterile H2O
CE-Glc minimal medium
200 ml 5 x C salts
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml III’ salts
20 ml Glutamate (40%)
25 ml Glucose (20%), autoclaved for 20 min at 121 °C
ad 1 l with sterile H2O
5 x C salts
20 g KH2PO4
80 g K2HPO4 x 3 H2O
16.5 g (NH4)2SO4
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
III’ salts
0.232 g MnSO4 x 4 H2O
12.3 g MgSO4 x 7 H2O
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
40% Glutamate solution
200 g L-Glutamic acid
adjust the pH to 7.0 by adding approximately 80 g KOH
ad 0.5 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
0.9% Saline (NaCl) solution
ad 1 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
50% Glycerol solution
295 ml Glycerol (87%)
ad 0.5 l with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
Bacteria (All strains are based on the Bacillus subtilis strain 168)
Bacillus subtilis BP40 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-yfp)			Laboratory strain collection
Bacillus subtilis BP41 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-cfp)
Bacillus subtilis BP52 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-cfp)
Bacillus subtilis BP156 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-yfp)