Kuyruktaki Motor fonksiyonların Biyofiziksel Karakterizasyonu
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
Kamçılı motorlar sarmal dışı filamentler çevirerek yüzmeye hücreleri sağlar. Motor flagellum'un (yani, viskoz yük) belirli bir uzunluk için oluşturabilir tork miktarı, yüzme hızlarını belirler. Öte yandan, dönüş yönünü değiştirmek için yeteneğidir kimyasallar, kemotaksis olarak bilinen bir işleme karşılık olarak hücre göçü kontrol eder. Kemotaksis ve hareketlilik olan virülans 1-3, kamçılı motorlar yıllar 4 üzerinde iyi karakterize edilmiştir faktörleri. Montaj kanıtlar motor mekanosensör olarak işlev gördüğünü düşündürmektedir – mekanik katı yüzeylerde 5,6 varlığını algılar. Bu yetenek muhtemelen yüzey kolonizasyonu ve enfeksiyonlara 5,7 tetikleme yardımcı olur. Bunun bir sonucu olarak, motorlu yüzeyleri ve başlatır sinyal algılar ve böylece mekanizmaları önemli 8,9 sahiptir.
Flagellar motoru kolayca flagell tethering ele alınabilirum bir alt tabakaya ve hücre dönme gözlemleyerek. Bu tür bağlama birinci anti-kancalı antikorlar 10 cam alt tabakalar için polyhook E. coli içinde mutant ve başarılı bir şekilde bağlanmış kanca ile çalışmış Silverman ve Simon, elde edildi. gergin hücre deneyi kimyasal uyaranlara çeşitli motor anahtarı yanıtları çalışma etmesini sağlamıştır. Örneğin, Segall ve arkadaşları kimyasal iyontoforetik pipetler yardımıyla gergin hücreleri uyarılır. CW önyargı karşılık gelen değişiklikler kemotaksis ağı 11,12 adaptasyon kinetiği ölçmek için onları etkin (zaman motorların fraksiyonu CW, saat yönünde döndürmek). Gergin hücre deneyi anahtarı yanıtları okuyan etkili iken, sadece viskoz yükleri 13 sınırlı bir aralıkta motorlu mekaniği içgörü sunmayı başardı. Bu sorunu aşmak için, Ryu ve arkadaşları yüzeylere yapışmış hücreler üzerinde koçanları filament için küresel, lateks boncuklar gergin. boncuklar vardıDaha sonra zayıf optik tuzakları 14 ile geri odak interferometrik kullanılarak izlenir. farklı boyutlarda boncuk ile birlikte çalışarak, araştırmacılar yükler çok daha geniş bir aralıkta motoru çalışma olabilir. Bu tahlil, daha sonra lazer karanlık alan aydınlatma ile birlikte photomultiplier tabanlı boncuk izleme tekniğini geliştirdi Yuan ve Berg tarafından geliştirildi. Dış viskoz dirençleri rotasyon 15,16 iç viskoz dirençleri kıyasla düşük olduğunu bu nedenle küçücük gergin altın nanobeads (~ 60 nm) Onların yöntemi etkin izleme. Bu, E. coli içinde elde edilebilen maksimum hızdan (~ 300 Hz) ölçümlerine yol açtı. V. alginolyticus'un olarak, benzer boncuk deneyleri ara viskoz yükler (~ 700 Hz) 17 yaşında iplik oranları ölçümleri sağladı. (Sıfır yükten yakın durak) viskoz yüklerin tüm olası aralığında motor yanıtların ölçümleri sağlayarak, boncuk deneyleri t anlamak için önemli bir biyofiziksel araç sağladıorque nesil süreci 18,19.
Son zamanlarda, bireysel motorlar 6 hassas mekanik uyaranlara uygulamak için etkin optik cımbız içerecek şekilde Yuan-Berg tahlil güncellenmiştir. Onlar viskoz yüklerde değişikliklere tepki olarak pişmanlık – Bu tekniği kullanarak, biz motoru döndürmek kuvvet jeneratörler dinamik mechanosensors olduğunu göstermiştir. Mekanizmaları tam olarak bilinmemektedir, ancak böyle bir yük algılama, kaynıyordu bakterilerin içine hücre farklılaşmasını tetikler mümkündür. Doğrudan bir kanıt yoktu, ancak diğer türlerdeki flagellar motorlar da 20 mechanosensitive olması da muhtemeldir. Burada, kamçılı filamentler 15 gergin lateks boncuk dönüşünü izlemek için photomultiplier tabanlı (PMT) yaklaşımları tartışıldı. gerçek zamanlı olarak ve uzun dura üzerinde tek boncuk izlemek için nispeten basittir, çünkü çok hızlı kameralarla izlemeye karşılaştırıldığında, photomultiplier-Kur avantajlıleri. Nedeniyle çevresel uyaranlara 21 Flagellar motoru komplekslerinde biçimlenme uzun süre eğitim zaman özellikle yararlıdır. Özel olarak, E. coli için ayrıntılarıyla protokolleri rağmen, hali hazırda diğer türlerdeki flagellar motorlar çalışmak için adapte edilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
gergin boncuk izleme ve motor tork doğru tahmin kolaylaştırmak amacıyla, aşağıdaki bilgiler gözden geçirilmelidir. flagellated hücrelerle bu ölçümleri yaparken, kesme kritik bir adımdır. Kesme ve böylece motordaki viskoz yük boncuk ağırlıklı nedeniyle ve% 10 hata 16 içinde tahmin edilebilir olmasını sağlamak, sadece saplama flagellar filamanın azaltır. Kesme de sıkı dağıtılan dışmerkezliliğinden (<boncuk çapı 14) ile dairesel yörüngeleri bulma şansını ar…
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).
