Quantifizierung der Schwarmmotilität bakterieller Oberflächen auf Induktorgradientenplatten

Die bakterielle Schwarmmotilität bezieht sich auf die kollektive Migration von Bakterienzellen über die Oberfläche einer Substanz. Neben halbfesten Agarplatten, die speziell im Labor hergestellt ^wurden1, wird dieser Phänotyp auch auf einigen weichen Substraten wie tierischem ^Gewebe2, hydratisierten ^{Oberflächen3} und Pflanzenwurzeln ^beobachtet4. Während eine halbfeste Oberfläche als eine der Grundbedingungen für bakterielle Schwärme gilt, benötigen einige Arten auch ein energiereiches Medium, um ihre Schwarmmotilität zu ^{unterstützen5.} Flagellenrotation treibt sowohl Schwimmen als auch Schwärmen Motilität an – Schwimmen beschreibt die einzellige Motilität innerhalb einer flüssigen Umgebung, während Schwärmen die synchrone Bewegung einer mikrobiellen Population über halbfeste Oberflächen ist.

Die Substratviskosität beeinflusst die bakterielle Motilität; Studien an pathogenen Mikroben wie Helicobacter pylori haben gezeigt, dass sich die Motilität des Erregers in Abhängigkeit von der Viskosität der Mucinschicht ändert, die durch die Versauerung der Umwelt im menschlichen Wirt beeinflusst ^wird6. Um diese Umgebungen zu replizieren, beschränken frühere Studien mit einer Agarkonzentration über 0,3% (w / v) die bakterielle Schwimmmotilität, um eine allmähliche Verschiebung in die Oberflächenschwärme zu bewirken. Die Verwendung einer Agarkonzentration über 1% (w/v) verhindert die Schwarmmotilität vieler ^Arten7. Die auf der Oberfläche gebildeten Koloniemuster sind vielfältig, darunter featureless ^mat8, bull’s ^eye9, Dendrites10 und ^vortex11.

Obwohl die Relevanz solcher Muster unklar bleibt, scheinen diese Muster von umweltbedingten und chemischen Hinweisen abhängig zu ^sein12. Umwelthinweise decken verschiedene Aspekte ab, einschließlich Temperatur, Salzgehalt, Licht und pH-Wert, während chemische Hinweise das Vorhandensein von mikrobiellen Quorum Sensing-Molekülen, biochemischen Nebenprodukten und Nährstoffen umfassen. Autoinduktor-Quorum-Sensing-Signalmoleküle wie AHL (N-Hexanoyl-L-Homoserinlacton) können das Schwärmen der Oberfläche beeinflussen, indem sie die Produktion von Tensid ^{regulieren13,14.} Resveratrol, eine Phytoalexinverbindung, könnte die Motilität des bakteriellen Schwärmens ^{einschränken15.}

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Wirkung von Gradientenkonzentrationen von Resveratrol auf den Wildtyp-Escherichia coli K12-Stamm und untersuchen die Arabinose-induzierbare Schwarmmotilität von technisch hergestellten E. coli K12-YdeH- und Pseudomonas aeruginosa PAO1-YdeH-Arten. Die Produktion des YdeH-Enzyms wird durch Arabinose über den araBAD-Promotor induziert, was zu einer zellulären c-di-GMP-Störung führt und die bakterielle Schwarmmotilität ^{beeinflusst16,17.} Dieses induzierbare Schwarmverhalten wird unter Verwendung von Arabinose-Gradienten-Schwarmplatten mit E. coli K12-YdeH- und P. aeruginosa PAO1-YdeH-Stämmen untersucht.

Die Gradientenschwarmplatten werden durch sukzessives Erstarren von doppellagigem Medium hergestellt (Abbildung 1B). Die untere Schicht besteht aus dem mit dem Induktor hinzugefügten Medium, das auf eine Seite einer abgestützten Petrischale gegossen wird. Nach dem Erstarren der unteren Schicht wird die Petrischale auf eine ebene Oberfläche zurückgeführt, wobei die obere Schicht, die das Medium ohne den Induktor enthält, von der anderen Seite der Platte hinzugefügt wird. Nachdem die Schwarmplatten vollständig verfestigt sind, werden isometrisch angeordnete Haltebrunnen erzeugt, indem Löcher auf die Schwarmplatten nach einem festen Layout gebohrt werden (Abbildung 1C) oder indem die Vertiefungen mit einem 3D-gedruckten Modell der Plattenabdeckung, die Stifte enthält, während des mittleren Aushärtungsprozesses bedruckt werden (Ergänzende Abbildung S1). Ein Gelbildgebungssystem wird verwendet, um die Schwarmmorphologien zu verschiedenen Zeitpunkten zu erfassen (Abbildung 2). Die Analyse des Oberflächenschwärmens mit der ImageJ-Software (Supplemental Figure S2) liefert quantitative Ergebnisse des Oberflächenschwarmprozesses (Abbildung 3).

Daher schlagen wir eine einfache Methode vor, um die Motilität des Oberflächenschwärmens innerhalb eines Konzentrationsbereichs von Induktoren zu testen. Diese Methode kann verwendet werden, um mehrere Konzentrationsreaktionen anderer Induktoren zu testen, indem der Induktor in das Medium der unteren Schicht gemischt wird, und kann auf andere bewegliche Spezies (z. B. Bacillus subtilis, Salmonella enterica, Proteus mirabilis, Yersinia enterocolitica) angewendet werden. Dieser Ansatz könnte zuverlässige qualitative und quantitative Ergebnisse für das Screening eines einzelnen chemischen Induktors liefern, und separate Platten können verwendet werden, um mehr chemische Induktoren zu bewerten.