蛍光標識株の共同栽培による細菌細胞集団における種内競争のモニタリング

Summary

細菌は、その生涯の間に有害または有益な突然変異のいずれかを蓄積することができます。細胞の集団では、有益な突然変異を蓄積した個体は、急速に仲間を上回る可能性があります。ここでは、蛍光標識された個体を用いて、時間の経過とともに細菌細胞集団における種内競争を可視化する簡単な手順を提示する。

Abstract

細菌などの多くの微生物は非常に急速に増殖し、集団は高い細胞密度に達する可能性があります。集団の細胞の小さい分数は、常に細胞にとって有害または有益な突然変異を蓄積している。突然変異の適性効果がサブ人口に強力な選択的成長優位性を提供するならば、この亜集団の個体は急速に競争し、さらには彼らの直近の仲間を完全に排除するかもしれない。したがって、有益な突然変異を獲得した細胞の小さな遺伝的変化および選択主導的蓄積は、細胞集団の遺伝子型の完全なシフトにつながる可能性がある。ここでは、グラム陽性モデル 細菌サブティリスの蛍光標識体の共培養によって、時間の経過とともに細菌細胞集団における有益および有害な突然変異の迅速なクローン拡張および消失を監視する手順を提示する。この方法は、細菌細胞集団における個体間の種内競争を表示する方法が容易かつ非常に例示的である。

Introduction

土壌細菌は、通常、柔軟な規制ネットワークと広範な代謝能力に恵まれています。両方の特徴は、細胞が与えられた生態学的ニッチ¹で利用可能である栄養素のために彼らの仲間や他の微生物と競合するために、それらの同化および同化経路を調整することを可能にする。しかし、細菌が環境に適応できない場合、他のメカニズムは種の生存を説明する可能性があります。確かに、多くの細菌が急速に増殖し、集団が高い細胞密度に達することができるように、亜集団は自発的に細胞に選択的な成長の利点を提供し、したがって、その適性を高める有益な突然変異を蓄積している可能性があります。さらに、突然変異ホットスポットおよびストレス誘発適応性変異発生は、不適合細菌^2,3の進化を促進することができる。したがって、連続選択下での突然変異および増殖の蓄積は、同一属^4,5内であっても、巨大な微生物多様性の起源である。自然界と同様に、細菌ゲノムの形成は、選択下の連続栽培のために実験室でも起こる。これは、基礎研究および産業界で世界的に使用されているグラム陽性細菌B.サブティリスの家畜化によって例示される。1940年代にB.サチリスをDNA損傷X線で処理し、その後、特定の成長条件⁶で培養した。それらの家畜化中に細菌に蓄積された突然変異は、多くの成長特性の喪失を占める、すなわちB.サブチリス実験室株168は、複雑なコロニー^7,8を形成する能力を失った。

今日では、最もよく研究されたモデル細菌 大腸菌 と B.サブティリスのために、特定の科学的な質問に対処するためにゲノムを遺伝的に操作するための様々な強力なツールが利用可能です。時には、目的の遺伝子の不活性化は、重篤な成長欠陥を引き起こし、その後、標準的な成長培地⁹ではっきりと見える。対照的に、弱い成長欠陥を引き起こし、ひずみの適性にわずかに影響を与える突然変異はしばしば無視される。しかしながら、いずれの場合も、数世代にわたって変異株の培養および経架を長時間化すると、通常は親株^2,9の表現型を回復したサプレッサー変異体の蓄積をもたらす。サプレッサー変異体の特徴付けと、親突然変異株の成長欠陥を回復した突然変異の同定は、重要かつしばしば新しい細胞プロセス^10,11の解明を可能にする非常に有用なアプローチである。

我々はB.サチリス¹²におけるグルタミン酸恒常性の制御に興味を持っている。大腸菌と同様に、B.サチリスは、サプレッサー突然変異体の蓄積によるグルタミン酸恒常性(すなわちグルタミン酸分解²のブロック)の摂動に応答する。自発的突然変異によって獲得されたこれらのサプレッサー変異体におけるゲノム変化は、グルタミン酸恒常性^9,13を迅速に回復させることが示された。したがって、細菌の家畜化中の特定の成長条件に対するB.サチリスの適応が酵素合成および進化した酵素活性においてミラーリングされ、グルタミン酸代謝¹²に関与していることは驚くべきことではない。家畜化過程中の成長培地における外因性グルタミン酸の欠如が、実験室株^1682,14における暗号性グルタミン酸脱水素酵素(GDH)gudB ^CR遺伝子の出現および固定化の原動力であったことが示唆されている。この仮説は、実験室株におけるGDH活性の減少量が外因性グルタミン酸が不足しているときに選択的増殖の利点を細菌に提供するという我々の観察によって支持される^2。また、B.サチリス株の培養は、GDH GudBを合成し、外因性グルタミン酸がない場合には、gudB遺伝子²を不活性化したサプレッサー変異体の蓄積をもたらす。明らかに、同化活性GDHの存在は、他の方法で使用できる内因的に産生されたグルタミン酸がアンモニウムおよび2-オキソグルタル酸に分解されるため、細胞にとって不利である(図1)。対照的に、グルタミン酸が培地によって提供される場合、高レベルGDH活性を有するB.サチリス株は、1つの機能GDHのみを合成する株に対して選択的な増殖性を有する。高レベルのGDH活性により、細菌は培地²によって提供される他の炭素源に加えて、第2の炭素源としてグルタミン酸を利用することを可能にする(図1を参照)。したがって、GDH活性は、外因性グルタミン酸の入手可能性に応じて、細菌の適性に強く影響を及ぼす。

ここでは、染色体上の単一の遺伝子座で異なる2つの B.サチリス 株間の種内競争を監視し、可視化するための非常に例示的な方法を提示する(図2)。この2株を、フルオロフォアYFPおよびCFPをコードする yfp および cfp 遺伝子で標識し、異なる栄養条件下で共栽培した。時間をかけてサンプリングし、寒天プレートに適切な希釈液をめっきすることにより、各培養物の生存者は、一般的なステレオ蛍光顕微鏡を使用して容易に監視することができます。この論文に記載されている手順は、細胞集団における有益および有害な突然変異の急速なクローン拡張および除去を、時間の経過とともに容易に行い、視覚化するのに適している。

Protocol

寒天プレート、培養メディア、クライオストック、プレカルチャーの製造 成長培地と必要な試薬を準備します(材料および試薬の表を参照)。 B.サチリス株をストリーク(例えば.BP40(rocG+ gudBCR amyE::PgudB-yfp)および BP52(rocG+ gudB+ amyE::PgudB-cfp) は、それぞれ1つと2つのアクティブな…

Representative Results

ここで説明した方法は、フルオロフォアCFPおよびYFPをコードするcfp遺伝子およびyfp遺伝子で標識されたB.サチリス株からなる細胞集団における種内競争を可視化するために、それぞれうまく適用された。図3に示すように、この方法は、非常に例示的な方法で種内競争を視覚化するために使用することができる。小さな領域にサンプルを見つけることによって?…

Discussion

細菌の競争力のある適合性を分析するためにいくつかの方法が開発されています¹⁶.多くの場合、細菌は異なる抗生物質耐性カセット¹⁷で標識された。我々のアプローチと同様に、抗生物質耐性カセットを用いた細胞の標識は、定義された成長条件下での共培養中の細菌の競争力の適合性の評価を可能にする。さらに、この方法は、染色体¹⁷上の特定の軌跡において互い…

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)