Caracterización biofísica de las funciones de motor flagelar
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
motores flagelares permiten a las células a nadar girando filamentos helicoidales extracelulares. La cantidad de par de torsión que el motor puede generar para una longitud dada del flagelo (es decir, la carga viscosa) determina las velocidades de natación. Por otro lado, su capacidad para cambiar el sentido de giro controla la migración de células en respuesta a productos químicos, un proceso conocido como la quimiotaxis. La quimiotaxis y la motilidad ser factores de virulencia 1-3, motores flagelares han sido bien caracterizado en los años 4. La evidencia creciente sugiere ahora que el motor actúa como un MechanoSensor – detecta mecánicamente la presencia de sustratos sólidos 5,6. Esta capacidad ayuda a probable en el desencadenamiento de la colonización de la superficie y las infecciones de 5,7. Como resultado, los mecanismos por los que el motor sentidos superficies e iniciados de señalización son de importancia 8,9.
El motor flagelar se puede estudiar fácilmente por la inmovilización del flagellum a un sustrato y la observación de la rotación de la célula. Dicha inmovilización se logró por primera vez por Silverman y Simon, que trabajó con un mutante polyhook en E. coli y ganchos conectados correctamente a sustratos de vidrio con anticuerpos anti-gancho 10. El ensayo de células tethered permitió a los investigadores estudiar las respuestas del motor-switch a una variedad de estímulos químicos. Por ejemplo, Segall y compañeros de trabajo estimularon células químicamente atados con la ayuda de pipetas iontoforéticos. Los cambios correspondientes en el sesgo de CW (la fracción de los motores giran las manecillas del reloj de tiempo, CW) les permitió medir la cinética de la adaptación en la red quimiotaxis 11,12. Si bien el ensayo de células tethered fue eficaz en el estudio de las respuestas de conmutación, sólo fue capaz de ofrecer una visión de la mecánica de motor en un intervalo limitado de cargas viscosos 13. Para superar este problema, Ryu y compañeros de trabajo conectado al ordenador, perlas de látex esféricas al filamento talones en las células pegadas a las superficies. Las perlas sea continuación, seguido utilizando interferometría de back-focal con trampas ópticas débiles 14. Al trabajar con los granos de diferentes tamaños, los investigadores pudieron estudiar el motor a través de una gama mucho más amplia de cargas. Este ensayo fue mejorada por Yuan y Berg, quien desarrolló una técnica de talones de seguimiento basado en fotomultiplicador combinado con iluminación láser de campo oscuro. Su método de seguimiento habilitado de nanobeads atados de oro que eran tan pequeña (~ 60 nm) que las resistencias externas viscosos eran más bajos en comparación con las resistencias internas viscosos a la rotación 15,16. Esto dio lugar a las mediciones de las velocidades máximas alcanzables en E. coli (~ 300 Hz). En V. Alginolyticus, ensayos de cuentas habilitadas similares mediciones de las velocidades de giro en cargas intermedias viscosos (~ 700 Hz) 17. Al permitir que las mediciones de las respuestas motoras sobre toda la gama posible de cargas viscosas (de carga cero a casi parada), el cordón-ensayos proporcionados en una importante herramienta de biofísico para entender la torque proceso de generación 18,19.
Recientemente, hemos modificado el ensayo de Yuan-Berg incluir pinzas ópticas que nos permitieron aplicar estímulos mecánicos precisos para motores individuales 6. Usando esta técnica, hemos demostrado que la fuerza de los generadores que giran el motor son mechanosensors dinámicos – se remodelan en respuesta a los cambios en las cargas viscosas. Es posible que tal de detección de carga provoca la diferenciación celular en bacterias que pululan, aunque los mecanismos no están claros. También es probable que los motores flagelares en otras especies también son mechanosensitive 20, aunque se carece de evidencia directa. A continuación, se discute el enfoque basado en el fotomultiplicador (PMT) para el seguimiento de la rotación de cuentas de látex atados a los filamentos flagelares 15. En comparación con el seguimiento con cámaras ultrarrápidos, el fotomultiplicador-configuración es ventajosa debido a que es relativamente sencillo para realizar el seguimiento perlas individuales en tiempo real y más largo duraciones. Es particularmente útil en el estudio de la remodelación a largo tiempo en los complejos de motor flagelar debido a los estímulos del medio ambiente 21. A pesar de que los protocolos de detalle específicamente para E. coli, que pueden adaptarse fácilmente para el estudio de motores flagelares en otras especies.
Protocol
Representative Results
Discussion
Con el fin de facilitar el atado de talones de seguimiento y correcta estimación de los pares de motor, la siguiente información debe ser revisada. Al realizar estas mediciones con células flageladas, esquila es un paso crítico. Shearing reduce el filamento flagelar a un simple trozo, garantizando de este modo que la carga viscosa en el motor se debe principalmente a la perla y se puede estimar dentro del 10% de error 16. Shearing también mejora las posibilidades de encontrar trayectorias circulares con …
Disclosures
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 |
References
- 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).
