Culturas Streptomyces líquidos cultivados se caracterizan por sedimentos miceliales que son heterogéneos en tamaño. Se describen un método para analizar y clasificar dichos gránulos en una forma de alto rendimiento. Estos pellets se pueden utilizar para otros análisis, que proporcionarán pistas para comprender y controlar la heterogeneidad del crecimiento.
Estreptomicetos son bacterias del suelo filamentosos que se utilizan en la industria para la producción de enzimas y antibióticos. Cuando se cultiva en biorreactores, estos organismos forman redes de hifas interconectada, conocida como pellets, que son heterogéneos en tamaño. Aquí se describe un método para analizar y pellets de tipo de micelio usando un Objeto Complejo paramétrico Analyzer y Clasificador (COPAS). Las instrucciones detalladas se indican para el uso del instrumento y el análisis estadístico básico de los datos. Además, nos describimos como bolitas se pueden clasificar de acuerdo a los ajustes definidos por el usuario, lo que permite el procesamiento aguas abajo, tales como el análisis del ARN o de proteínas. Con esta metodología el mecanismo de crecimiento heterogéneo subyacente puede ser abordado. Esto será fundamental para mejorar estreptomicetos como una fábrica de células, teniendo en cuenta el hecho de que la productividad se correlaciona con el tamaño de pellets.
Estreptomicetos son bacterias del suelo filamentosos que son bien conocidos por su habilidad para hacer antibióticos, así como compuestos que se pueden utilizar como inmunosupresores o para combatir las infecciones por hongos o 1,2 cáncer. Además, estos organismos producen enzimas que son de interés para una amplia gama de aplicaciones industriales 3. La mayoría de estos compuestos comercialmente interesante se producen en biorreactores. Crecimiento de estreptomicetos en biorreactores se caracteriza por la formación de estructuras complejas de hifas interconectado, conocidos como grumos o gránulos. Estas estructuras multicelulares son altamente heterogénea con respecto al tamaño 4 y pueden alcanzar tamaños que son más de un millón de veces más grande que una bacteria unicelular tal como Escherichia coli o Bacillus subtilis. Aunque la heterogeneidad es considerado como un rasgo beneficioso en sistemas biológicos naturales 5, se considera una trampa de producción en la industria. Biocultivos de reactores tienen que ser reproducible y controlable para obtener los mayores rendimientos posibles. Por tanto, una comprensión detallada de la función de cada uno de los tipos de pellets en un biorreactor es crucial para mejorar estreptomicetos como una fábrica de células.
La citometría de flujo se utiliza comúnmente para analizar células individuales en una población 6. Los citómetros de flujo pueden adquirir información de multiparamétrico midiendo simultáneamente características de las células (tales como el tamaño, la densidad, y la fluorescencia multicolor). De esta manera, las propiedades de celda se pueden correlacionar lo que contribuye a nuestra comprensión de la heterogeneidad dentro de una cultura y de la existencia de distintas poblaciones de células 6. Instrumentos más especializados han permitido clasificar las células de acuerdo con los parámetros definidos por el usuario. Por ejemplo, los mutantes pueden ser examinados. Después de la selección, estas células mutantes pueden ser cultivadas para una caracterización adicional. Esto ya ha demostrado ser útil, entre otros,para mejorar la productividad de las cepas de 7,8. Las boquillas de los citómetros de flujo permiten típicamente para el paso de las células con un diámetro máximo de aproximadamente 10 micras. Por lo tanto, los pellets de estreptomicetos no pueden ser analizados con los citómetros de flujo regulares. Ellos, sin embargo, pueden ser analizados con el objeto complejo paramétrico Analyzer y Clasificador (COPAS). Al igual que los citómetros de flujo regulares, COPAS puede adquirir datos multiparamétricos de partículas en un alto rendimiento. Dependiendo del tipo de COPAS 10-1,500 micras de tamaño de partículas pueden ser analizados. Además, permite la clasificación de las partículas individuales que se pueden utilizar para el cultivo o análisis aguas abajo, tales como el aislamiento de ADN, ARN, o proteínas. COPAS se diseñó inicialmente para el análisis y la clasificación de pequeños organismos multicelulares, tales como los nematodos Caenorhabditis elegans 9, y embriones de Drosophila y larvas 10. Los instrumentos también se han utilizado para el pez cebra 11 unnd 12,13 por hongos filamentosos. Los últimos organismos también forman sedimentos miceliales que son incluso más grandes que las formadas por bacterias filamentosas. Recientemente hemos demostrado que el uso de COPAS también es factible para estreptomicetos 4. Estamos aquí describir el procedimiento experimental para el uso de las COPAS para evaluar la heterogeneidad de pellets en Streptomyces coelicolor, incluyendo detalles sobre la metodología para clasificar pelets de acuerdo al tamaño. Tenga en cuenta, sin embargo, que este método también se puede utilizar para el análisis de otros estreptomicetos formadora de gránulos.
La citometría de flujo ha permitido el análisis de alta velocidad de grandes números de células individuales, lo que contribuyó a nuestra comprensión de la heterogeneidad en las poblaciones clonales 6. Citometría de flujo regular no es factible para el análisis de los sedimentos miceliales multicelulares de estreptomicetos y hongos. Nuestro trabajo ha demostrado que el análisis de alto rendimiento de los pellets de Streptomyces es factible utilizando COPAS. El procedimiento que se describe aquí es simple, rápido y altamente reproducible. El parámetro fundamental a tener en cuenta durante el funcionamiento del instrumento es la velocidad de flujo, que no debe superar los 100 eventos / seg (paso 3.8 de este protocolo). Si la concentración de sedimento, y por lo tanto también la velocidad de flujo, se hace demasiado alta, los valores TOF se calcularon mal porque el instrumento no detecta gránulos individuales. Suficientemente dilución de la muestra por la adición de PBS que supera este problema.
Limitaciones
El uso COPAS Plus d aquí tiene un diámetro de boquilla de 1 mm, que es adecuado para la medición de partículas con un tamaño que varía desde 30 hasta 700 micras. Por tanto, esta boquilla permite la medición de gránulos formados por estreptomicetos. En el caso de los hongos filamentosos los micro-colonias pueden ser más grandes, lo que limita la aplicabilidad general de la COPAS Plus. El COPAS XL puede medir partículas de hasta 1500 m de tamaño, pero su sensibilidad en el rango inferior de diámetro es menor en comparación con la de la COPAS Plus. Tanto el COPAS Plus y el COPAS XL no pueden analizar las partículas menores de 30 micras. Esto implica que las esporas o células microbianas individuales no pueden ser analizados. Además, la COPAS no puede analizar con precisión pequeños agregados de células o esporas y las muy pequeñas micro-colonias. Para esto, se deben utilizar analizadores celulares regulares. Esta limitación se supera por la Biosorter de Unión Biometrica, que puede analizar partículas en el rango de 1-1,500 m. El premio compra sin embargo es mayor.
Importancia y direcciones futuras
Nos centramos aquí en el análisis del tamaño del gránulo pero la configuración COPAS también es capaz de analizar y clasificar basado en la fluorescencia y la densidad. Detección de fluorescencia permite analizar la expresión de genes en base a los periodistas, como las buenas prácticas agrarias. Además, la composición de las células se puede evaluar. Aún más poderosa es la opción para separar pelets de acuerdo con estos parámetrostros. Gránulos Ordenado se pueden utilizar para los análisis posteriores, incluyendo estudios de todos-ómicas. De hecho, hemos ordenado previamente 60.000 gránulos grandes y 200.000 pequeñas, y demostramos que el proteoma fue significativamente diferente entre las grandes y pequeñas bolitas 4. Por tanto, esta tecnología proporciona nuevas pistas para mejorar streptomycetes como fábricas celulares.
La principal ventaja de la tecnología COPAS es el tiempo. Estudios anteriores sobre sedimentos celulares se realizaron utilizando microscopía, y esto limita el número de gránulos que se pueden analizar hasta varios cientos 16. Los estudios microscópicos ya se ha sugerido la existencia de dos poblaciones de gránulos en las culturas 16 Streptomyces líquidos de cosecha propia. De hecho, dos poblaciones de gránulos se detectaron independientemente de las condiciones de cultivo en un gran número de diferentes estreptomicetos 4. Esta heterogeneidad de tamaño no se limita a estreptomicetos filamentosos, pero también se observó en hongos filamentosos 12 </ Sup>. En todos los casos, aún no se conocen los mecanismos subyacentes de la heterogeneidad. La posibilidad de ordenar los pellets de acuerdo con el tamaño y la fluorescencia nos permite desentrañar esos mecanismos.
The authors have nothing to disclose.
Copas PLUS | Union Biometrica | PLUS | Large particle flow cytometer including lasers and software |
NaCl | Sigma Aldrich | S3014 | PBS component |
KCl | Sigma Aldrich | P9541 | PBS component |
Na2HPO4 | Sigma Aldrich | S3264 | PBS component |
KH2PO4 | Sigma Aldrich | P9791 | PBS component |
Difco Yeast Extract | BD Biosciences | 210933 | Media component |
Bacto Peptone | BD Biosciences | 211677 | Media component |
Oxoid Malt Extract | Fisher Scientific | OXLP0039B | Media component |
Glucose | Sigma Aldrich | G8270 | Media component |
Sucrose | Sigma Aldrich | S9378 | Media component |
MgCl2.6H2O | Sigma Aldrich | M2670 | Media components. Add after autoclaving. |
Formaldehyde Solution | Sigma Aldrich | F8775 | Fixation of pellets |
Sodium Hypochlorite Solution | Sigma Aldrich | 71696 | For cleaning of the instrument |
EtOH | VWR | 20816.367 | For cleaning of the instrument |
Erlenmeyer Flask (250 ml) | Fisher Scientific | 214-1132 | Culture flask for growing Streptomyces |
Springs | Verenfabriek De Spiraal | Custom-Made | Used in culture flask. RVS1.4401/Length 210 mm/Diameter 17 mm/Pitch 5 mm |
Sterile Centrifuge Tube (15 ml) | Sarstedt | 62.554.002 | |
Syringes (50 ml) | Sigma | Z683698 |