Bakterien können sich während ihres Lebens entweder schädliche oder vorteilhafte Mutationen ansammeln. In einer Population von Zellen können Individuen, die vorteilhafte Mutationen angesammelt haben, ihre Mitmenschen schnell übertreffen. Hier stellen wir ein einfaches Verfahren zur Visualisierung der intraspezies-Konkurrenz in einer bakteriellen Zellpopulation im Laufe der Zeit mit fluoreszierend markierten Individuen vor.
Viele Mikroorganismen wie Bakterien vermehren sich extrem schnell und die Populationen können hohe Zelldichten erreichen. Kleine Zellfraktionen in einer Population haben immer angesammelte Mutationen, die entweder schädlich oder vorteilhaft für die Zelle sind. Wenn der Fitnesseffekt einer Mutation der Subpopulation einen starken selektiven Wachstumsvorteil verschafft, können die Individuen dieser Subpopulation schnell überwettbewerben und sogar ihre unmittelbaren Mitmenschen vollständig eliminieren. So können kleine genetische Veränderungen und selektionsgesteuerte Anhäufung von Zellen, die vorteilhafte Mutationen erworben haben, zu einer vollständigen Verschiebung des Genotyps einer Zellpopulation führen. Hier stellen wir ein Verfahren zur Überwachung der schnellen klonalen Expansion und Eliminierung von vorteilhaften bzw. schädlichen Mutationen in einer bakteriellen Zellpopulation im Laufe der Zeit durch Kokultivierung von fluoreszierend markierten Individuen des Gram-positiven Modellbakteriums Bacillus subtilisvor. Die Methode ist einfach durchzuführen und sehr anschaulich, um intraartenWettbewerb unter den Individuen in einer bakteriellen Zellpopulation zu zeigen.
Bodenbakterien sind in der Regel mit flexiblen regulatorischen Netzwerken und breiten stoffwechselnden Kapazitäten ausgestattet. Beide Eigenschaften ermöglichen es den Zellen, ihre katabolen und anabolen Bahnen anzupassen, um mit ihren Gefährten und anderen Mikroorganismen um die Nährstoffe zu konkurrieren, die in einer bestimmten ökologischen Nische verfügbar sind1. Wenn die Bakterien jedoch nicht in der Lage sind, sich an ihre Umgebung anzupassen, können andere Mechanismen für das Überleben einer Art verantwortlich sein. In der Tat, da viele Bakterien schnell vermehren und die Populationen hohe Zelldichten Subpopulationen erreichen können spontan angesammelt positive Mutationen, die die Zellen mit einem selektiven Wachstumsvorteil und damit ihre Fitness zu erhöhen. Darüber hinaus können Mutations-Hotspots und stressinduzierte adaptive Mutagenese die Entwicklung eines unangepassten Bakteriums2,3erleichtern. So ist die Anhäufung von Mutationen und Wachstum unter kontinuierlicher Selektion der Ursprung für die enorme mikrobielle Vielfalt, selbst innerhalb derselben Gattung4,5. Wie in der Natur findet auch die Formgebung bakterieller Genome im Labor aufgrund der kontinuierlichen Kultivierung unter Auswahl statt. Ein Beispiel dafür ist die Domestizierung des Gram-positiven Bakteriums B. subtilis, das weltweit in der Grundlagenforschung und in der Industrie eingesetzt wird. In den 1940er Jahren wurde B. subtilis mit DNA-schädigenden Röntgenstrahlen behandelt, gefolgt von der Kultivierung unter einer spezifischen Wachstumsbedingung6. Die Mutationen, die sich in den Bakterien während ihrer Domestizierung angesammelt haben, sind für den Verlust vieler Wachstumsmerkmale verantwortlich, d.h. der Laborstamm 168 von B. subtilis verlor die Fähigkeit, komplexe Kolonien zu bilden7,8.
Für die am besten untersuchten Modellbakterien Escherichia coli und B. subtilissteht heute eine Vielzahl leistungsstarker Werkzeuge zur Verfügung, um ihre Genome genetisch zu manipulieren, um spezifische wissenschaftliche Fragen zu beantworten. Manchmal verursacht die Inaktivierung eines Gens von Interesse einen schweren Wachstumsfehler, der dann auf dem Standardwachstumsmedium9deutlich sichtbar ist. Im Gegensatz dazu werden Mutationen, die einen schwachen Wachstumsfehler verursachen und damit nur geringfügig die Fitness der Sorte beeinträchtigen, oft ignoriert. In beiden Fällen führen jedoch eine längere Inkubation und Passage der mutierten Stämme für mehrere Generationen in der Regel zur Anhäufung von Suppressormutanten, die den Phänotyp des Elternstamms2,9wiederhergestellt haben. Die Charakterisierung von Suppressormutanten und die Identifizierung der Mutationen, die den Wachstumsdefekt des Stammstamms wiederhergestellt haben, ist ein sehr hilfreicher Ansatz, der eine Aufklärung wichtiger und oft neuartiger zellulärer Prozesse ermöglicht10,11.
Wir sind an der Kontrolle der Glutamathomöostase in B. subtilis12interessiert. Ähnlich wie E. colireagiert B. subtilis auf die Störung der Glutamathomöostase(d.h.Block im Glutamatabbau2) durch die Anhäufung von Suppressormutanten. Die genomischen Veränderungen in diesen Suppressormutanten, die durch spontane Mutation erworben wurden, erwiesen sich schnell wieder GlutamatHomöostase9,13. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sich die Anpassung von B. subtilis an einen spezifischen Wachstumszustand während der Domestizierung des Bakteriums in der Enzymsynthese und in den entwickelten enzymatischen Aktivitäten widerspiegelt, die am Glutamatstoffwechsel beteiligt sind12. Es wurde vermutet, dass der Mangel an exogenem Glutamat im Wachstumsmedium während des Domestizierungsprozesses die treibende Kraft für die Entstehung und Fixierung des kryptischen Glutamatdehydrogenase (GDH) gudBCR-Gens im Laborstamm 1682,14war. Diese Hypothese wird durch unsere Beobachtung gestützt, dass die reduzierte Menge an GDH-Aktivität im Laborstamm den Bakterien einen selektiven Wachstumsvorteil verschafft, wenn exogenes Glutamat knapp ist2. Darüber hinaus führt die Kultivierung eines B. subtilis-Stamms, die die GDH GudB synthetisiert, in Ermangelung von exogenem Glutamat zur Anhäufung von Suppressormutanten, die das gudB-Gen inaktivierthaben 2 . Offensichtlich ist das Vorhandensein eines katabolisch aktiven GDH für die Zelle nachteilig, da endogen produziertes Glutamat, das sonst für Anabolismus verwendet werden könnte, zu Ammonium und 2-Oxoglutarat degradiert wird (Abbildung 1). Im Gegensatz dazu hat ein B. subtilis-Stamm, der mit hoher GDH-Aktivität ausgestattet ist, einen selektiven Wachstumsvorteil gegenüber einer Sorte, die nur einen funktionellen GDH synthetisiert. Es ist davon auszugehen, dass die hohe GDH-Aktivität es den Bakterien ermöglicht, Glutamat als zweite Kohlenstoffquelle zusätzlich zu anderen Kohlenstoffquellen zu nutzen, die vom Medium2 bereitgestellt werden (siehe Abbildung 1). So, GDH-Aktivität stark beeinflusst die Fitness von Bakterien, abhängig von der Verfügbarkeit von exogenen Glutamat.
Hier stellen wir eine sehr anschauliche Methode zur Überwachung und Visualisierung der intraspezies-Konkurrenz zwischen zwei B. subtilis-Stämmen vor, die sich in einem einzigen Ort auf dem Chromosom unterscheiden (Abbildung 2). Die beiden Stämme wurden mit den Yfp- und cfp-Genen beschriftet, die die Fluorophore YFP und CFP kodieren, und unter verschiedenen Ernährungsbedingungen kokultiviert. Durch Probenahmen im Laufe der Zeit und durch Das aufgeeignete Verdünnungen auf Agarplatten konnten die Überlebenden in jeder der Kulturen leicht mit einem gemeinsamen Stereofluoreszenzmikroskop überwacht werden. Das in diesem Papier beschriebene Verfahren ist einfach durchzuführen und geeignet, die schnelle klonale Expansion und Eliminierung von vorteilhaften bzw. schädlichen Mutationen in einer Zellpopulation im Laufe der Zeit zu visualisieren.
Mehrere Methoden wurden entwickelt, um die Wettbewerbstauglichkeit von Bakterien zu analysieren16. In vielen Fällen wurden die Bakterien mit verschiedenen Antibiotika-Resistenzkassetten17gekennzeichnet. Ähnlich unserem Ansatz ermöglicht die Kennzeichnung der Zellen mit Antibiotikaresistenzkassetten die Beurteilung der Wettbewerbstauglichkeit der Bakterien während der Kokultivierung unter definierten Wachstumsbedingungen. Darüber hinaus kann diese Methode verwendet werden, um die Wettbewerbstaug…
The authors have nothing to disclose.
Die Arbeit im Autorenlabor wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (http://www.dfg.de; CO 1139/1-1), dem Fonds der Chemischen Industrie (http://www.vci.de/fonds) und dem Göttinger Zentrum für Molekularbiologie (GZMB). Die Autoren würdigen Jörg Stülke für hilfreiche Kommentare und die kritische Lektüre des Manuskripts.
(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) |