Bu makalede, başarılı antibakteriyel ilaç keşfi ve bileşik testi için yeni bir güçlü bir araç sağlayarak, Pseudomonas aeruginosa siklik di-GMP hücresel seviyelerini işlemek için potansiyel yeteneği küçük moleküllerin büyük kütüphanelerinin taranması amacıyla kurulmuştur yüksek verimli deneyi anlatır.
Geleneksel bakterilerin antibiyotik direncidir yeni keşfedilen düzenleyici yollardaki yeni ilaç hedeflerini tanımlamak için araştırma girişimleri tahrik etmiştir. İkinci haberci olarak hücre içi siklik di-GMP (c-di-GMP) kullanan düzenleyici sistemlerin hedef böyle bir sınıf vardır. c-di-GMP antibiyotik direnci, biyofilm oluşumu ve virulans dahil süreçleri geniş bir yelpazede düzenleyen davranır hemen hemen tüm bakterileri bulunan bir sinyal molekülüdür. c-di-GMP antibiyotiklere dirençli biyofilm gelişimi kontrol yönlerini sinyalizasyon nasıl anlayış nükleotid veya bu sinyal yollarının bozulması hücresel konsantrasyonlarının değişiklik azaltılmış biyofilm oluşumu veya antibiyotiklere biyofilm artan duyarlılık yol açabilir sayede yaklaşımlar önerilmiştir. Yeşil floresan proteini ekspresyonu Cı-di-GMP tepkimeli yükseltici cdrA kontrolü altındadır (GFP), göre, basit bir yüksek verimli bioreporter protokol açıklarPseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) c-di-GMP hücresel seviyelerinin modüle edilmesi için potansiyele sahip küçük moleküller için hızlı bir şekilde taramak için. Bu basit protokol 48 saat içinde yukarı 3.500 bileşiklerin taranması ve çoklu mikroorganizmalar adapte edilmesi yeteneğine sahiptir.
klinik olarak önemli antibiyotiklere karşı bakteriyel direnç hızla gelişmesi şu anda dünya çapında sağlık çalışanlarının karşılaştığı temel sorunlardan biridir. Geleneksel antibiyotikler Bu başarısızlık virülans ve hastalığın ilerlemesi 1 katılan bakteriyel süreçler engelleyebilir kimyasal madde için yeni arayışları sürdü. Kullanan böyle bir düzenleyici sistemin hücre içi di-GMP (c-di-GMP) son zamanlarda umut verici geçerlilik 2-4 ile bir hedef haline gelmiştir halkalı ikinci haberci. Küresel ikinci haberci sinyal molekülü antibiyotik direnci, yapışma, biyofilm oluşumu ve hastalık 2-4 gibi birçok fonksiyonlarını düzenler tespit edilmiştir.
Artık, bakteriyel hücrede Cı-di-GMP hücresel düzeyde GTP iki molekül GGDEF etki alanı içeren diguanylate siklazlar (KEGM) wh C-di-GMP sentezlenmesi için kullanılmaktadır, böylece sentez ve indirgenme ile kontrol edilir anlaşılmalıdırereas Cı-di-GMP bozulması EAL veya HD-GYP alan ya sahip fosfodiesterazlar (PDE'ler) tarafından katalize edilir ((3 gözden, 5)). Bu alan ihtiva eden proteinler, sıklıkla Cı-di-GMP devir etkinliklerini çevresel veya hücre ipuçları 3,5 ya doğrudan ya da dolaylı olarak düzenlendiğini düşündürmektedir diğer sinyal alanları içerir. Sonuç olarak, c-di-GMP bakteriyel fenotipe değişikliklere farklı çevresel ipuçlarını algılama bağlamak için fonksiyonları sinyal. Cı-di-GMP çeşitli mekanizmalarla 4 transkripsiyon, post-transkripsiyon ve translasyon sonrası seviyesinde bakterilerde düzenleyici etki gösterir.
Birçok bakteriyel hücrelerde c-di-GMP önemli bir etkisi biyofilm hücreli yapılar yüzeylerine bağlanmış veya organize hareketli planktonik hücreler ve sesil hücreler arasındaki geçişlerin kontrolünde, özellikle de bakteriyel 'yaşam tarzı' ve belirlenmesinde olan 3,5. Genel olarak, yüksek bir gözenekdüşük hücresel düzeyleri pek çok bakteriyel patojenler 3,5 hareketlilikten ve hastalık oluşturma faktörü sentezi teşvik ederken Cı-di-GMP seviyeleri, biyofilm ve sessility ile ilişkilidir. Böylece, c-di-GMP sinyalizasyon çalışmalarının daha ayrıntılı bilgi bakteriyel patojenler biyofilm oluşumu ve virulans engellenmesi için stratejiler göze olabilir. Bu birçok bakteriyel genomları GGDEF, EAL ve / veya HD-GYP etki (örneğin P. aeruginosa 40 proteinleri vardır) ve çoklu etkileyiciler 6,7 ile çok sayıda proteinleri kodlayan verilen yıldırıcı bir iştir.
Ancak, bu bile karmaşıklığı ile, son kanıtlar c-di-GMP sinyalini manipüle stratejiler antibiyotiğe dirençli enfeksiyonlar gelişmekte önlemek veya klasik antibiyotik 2 birlikte uygulanması ile bağışıklık sistemi ya da etkin tedaviye onları duyarlı hale birine geliştirilmiş olabileceğini düşündürmektedir. Buna paralel olarak, bu deneysel yapay bir azalma ortaya konmuşturin vitro -grown P. hücre içi c-di-GMP aeruginosa P. ise, biyofilm oluşumunu azalmış ve antimikrobik yatkınlığın artmasına yol açar farelerin peritonal boşluğuna bulunan silikon implantları aeruginosa yedirilerek biyofilm, benzer bir şekilde 8-11 dağıtılabilir.
Burada, potansiyel olarak P. hücresel Cı-di-GMP seviyesini modüle küçük moleküller taranması için yüksek verimli, flüoresan bazlı raportör analizini tarif aeruginosa (Şekil 1). Deneme Bulunan: C-di-GMP sentezleme transkripsiyonel Cı-di-GMP-duyarlı cdrA promoteri 12 bağlı olan, daha önce geliştirilmiş GFP raportör kullanılarak, hücresel seviyelerinin ölçülmesi esasına dayanır. Bu protokol, P. raportör yapısının ekspresyonu için bir metodoloji tarif eder Çevrede aeruginosa ırk, levha bileşik hazırlama, biz olarak 384 oyuklu plakalar, büyüme koşulları içine kültür aşılamaVeri toplama, yönetim ve analiz (Şekil 1) ile ilgili ayrıntılar olarak ll. Genel olarak, bu protokol bakterilerde sinyal c-di-GMP hedefleyen yeni bileşikler tespit potansiyel araştırmacıları yardım ve araştırma kullanılmak üzere P. biyolojisini anlamaya yönelik olacak aeruginosa.
Bakteriyel enfeksiyonların tedavisini geliştirmek amacıyla, moleküler bir düzenleyici seviyede bakteriyel davranışını daha iyi anlaşılması için açıktır. Burada açıklanan prosedür manipüle veya bakteriler c-di-GMP hücresel konsantrasyonları ile müdahale potansiyeline sahip küçük moleküller ortaya çıkarmak istiyorsanız mikrobiyolog, biyokimyacı ve klinisyenler için yararlı olacaktır. Yöntem P. c-di-GMP hücresel seviyelerini izlemek için yeni geliştirilen GFP bioreporter kullanır aeruginosa 12. Bu bioreporter önemlisi kültürlendiğinde% 5 LB PBS kullanılan suşunun büyümesini etkileyen için geçerli ve gösterilmiştir. In vivo olarak, c-di-GMP seviyesini değiştiren küçük molekülleri tanımlamak için bir bütün hücre ekranın kullanılması, özellikle Gram-negatif bakterilere yoluyla bakteriyel zarlardan molekülü penetrasyonu hedef bazlı ilaç keşfi büyük zorluklar üstesinden . Önemli bir şekilde, To tahlil 0.5 bugüne kadar tüm ekranlarda gözlendi sürekli yukarıda sağlam z 'değeri olarak çok sağlam görünüyor. Inhibe eden ve / veya P. hücre içi c-di-GMP seviyesini geliştirmek küçük moleküllerin sayısı ortaya çıkaracaktır, bu protokol kullanılarak tarama aeruginosa. Ayrıca, bu deney de bakteri öldürücü ya da OD 600 okuması bir azalma ile sonuçlanan bakteriyostatik bileşiklerin belirlenmesi için bir potansiyele sahiptir.
protokol bölümünde ele olmasa da, deney hazırlanması için birkaç önemli hususlar vardır. GFP bioreporter bir plazmid dayanmaktadır akılda tutmak hayati önem taşımaktadır. Reporter plazmid P. çok kararlı olduğu bilinmektedir, ancak aeruginosa, bu nedenle, sürekli yeniden sonra kaplama Cı gliserol stokundan ° 'den -80 taze kaplama suşlar kullanma ihtiyacı kaybetti ve floresans ekspresyonunu kontrol kritik olabilir. Ekranın boyunca üniform büyüme koşullarını sağlamak için de çok değerlidirBu koşullarda herhangi bir dalgalanma ekranda knock-etkileri olabilir çünkü. Bu medya ve antibiyotikler toplu premade ve ekranın boyunca kullanılmaktadır emin hale içerir. Bakteri kültürleri düzgün bir şekilde (OD 600 okumaları göre) büyüyen değil, bu doğanın en yüksek verimli ekranlar için ortak bir sorundur. Bu etkileri veya tabak içine homojen olmayan bir bakteri kültürü dağıtım kenar bağlı olabilir. Eski için, inkübasyon sırasında kullanılan bir gaz geçirgen conta hayatidir emin. ikincisi, bir kültür hacmi ile sıvı işleyici boru priming birlikte en az üç kez, borunun kendisi ölü hacmi tavsiye edilmektedir. Dağıtım sırasında en az bir hızda manyetik karıştırıcı tutmak için çok önemlidir. izleme ve deney boyunca tutarlı bir büyüme 384 oyuklu plakaların saklanma çok önemlidir birlikte, önlemek için bir durum un neden olabilir inkübasyon sırasında levhalar istiflenmesinibüyüme modelinde bir çarpıklık giden oksijen gradyanlar istedi. Bir negatif kontrol olarak kullanılmıştır DMSO aracı negatif ilgi suşunun büyümesini etkileyen olmadığından emin olmak için önemlidir. büyüme ile ilişkili bu sorunların çoğu tarama öncesinde ilgi bakteri suşu ile sahte bir ekran yaparak önlenebilir. Cı-di-GMP inhibisyon sonuçları, hücre yoğunluğundaki değişikliğin düzeltilmesi gerekir rasgele floresan yoğunluğu birimleri değişikliği hesaplanır verilen aynı zamanda veri yorumlama yararları göz. Bu akılda farklı matematiksel formüller Bu deneylerde elde edilen veriler çıkışı da dikkate alınmalıdır değerlendirmek. Örneğin, bir bileşik, bir C-di-GMP inhibitörü olarak görünebilir, ancak gerçekte belirlenen isabet ihtiyatlı yorumunu gerektiren büyüme önleyicisi ya da tam tersi olabilir.
Bu gelişim ve performansı sırasında dikkat edilmesi gereken birkaç sakıncaları ve sınırlamalar vardıryüksek yayılmalı hücre bazlı bir elek. Örneğin, algılama özellikleri ve potansiyel olarak ekranda kullanılan küçük moleküller etkilenebilir florasan bir sonda kullanarak, hücresel Cı-di-GMP seviyeleri dolaylı ölçüm biyo-muhabir işlevleriyle. Teğetsel konusu hücre bazlı deney, hücre içi c-di-GMP seviyelerindeki değişikliklerin arkasındaki mekanizma ile ilgili herhangi bir bilgi veren bir gerçektir. Bu nedenle, deneylerden elde edilen önemli gözlemler bakterilerde hücre içi c-di-GMP dalgalanmaları ölçmek için "altın standart" olarak kabul edilmektedir yüksek performanslı sıvı kromatografisi-kütle spektrometresi yaklaşımı kullanarak teyit edilmelidir. Bakteri hücreleri (in vivo) ana bağlamında yetiştirilen Bunun yanı sıra, prosedür, sadece, in vitro büyümüş bakteriler davranışı ile ilgili bilgi sağlar hızla nedeniyle bu ortama faaliyetlerini değiştirin. Ayrıca, GFP bioreporter kullanarak işlem ekranı almaz anlamına gelirbakteri hücrelerinin dikkate fizyolojik durum. Bununla birlikte, iletişim kuralı ekran boyunca ayrı ayrı kuyuların mikroskopik izlenmesi için adapte edilebilir.
Hatta bu hususlar ve kısıtlamalarla, bu yüksek verimli bir deney de hücre içi c-di-GMP seviyeleri müdahale edebilen küçük moleküller için sağlam bir ekrandır. pek çok bakteriyel patojenler de dahil olmak üzere bir çok mikrobik tür hücre içi c-di-GMP seviyeleri modülasyonunu karakterize edilmesi için incelenmiştir için, protokol, çeşitli bakteri türlerinin uygulanır ve daha karmaşık olabilir çoklu bakteri modellerinin çalışma genişletilebilir. Deney kolay büyüme koşulları kullanılabilir veya farklı bioreporters kullanarak diğer çıkış almak için adapte edilebilir değiştirerek, diğer bakteri türleri için optimize edilebilir. Farklı inkübasyon süreleri ilgi büyüme aşamasına bağlı olarak uygulanabilir. ölçeklendirme veya through-put artan Ancak, bu importan olduğunu t bakteriler hala plaka hazırlıkları ve okuma-out ölçümler sırasında büyümeye devam edecektir akılda tutulması gereken. Bu nedenle, bu protokol kullanılarak bir seferde 15 plakaların en fazla taranması tavsiye edilmektedir. Ayrıca, birden fazla 384 kuyuları ile plakaları kullanılarak daha fazla optimizasyon gerektiren, düzgün büyümeyi izin vermeyebilir. plakaların sayısını aşağı ölçekleme zaman, el elektronik pipet yerine sıvı taşıma robotu kullanarak aşılamak için daha uygun olabilir. Protokol, anti-biyofilm bileşikler, c-di-GMP sinyalizasyon müdahale göz önüne alındığında, biyofilm dağıtmak küçük moleküller araştırmak için kullanılan olabilir açıktır. protokol aynı zamanda bakteri fizyolojisi çeşitli yönlerini anlamak için redeveloped olabilir. Verilen c-di-GMP sinyal biz onların çalışma mekanizmaları, c-di-GMP sinyalini ihtiyaç olup olmadığını belirlemek için farklı kimyasal uyaranlara belirleyebilir bu protokolü kullanarak bu organizmaların fizyolojileri inceleyerek, çoğu bakteri yaygındır.
_content "> Özetle, bu protokol sunulan yaklaşımın sağlamlığı ve çok yönlülük c-di-GMP birçok biyolojik sistemlerde sinyalizasyon kimyasal modülatörlerinin tanımlanmasına yardımcı olacaktır.The authors have nothing to disclose.
We thank the Tolker-Nielsen lab for their generous donation of reporter constructs used to develop the screen. We also thank members of the Ryan laboratory for their helpful comments and critical reading of the manuscript. The work of the authors has been supported in part by grants awarded by the Wellcome Trust (WT100204AIA senior fellowship grant to R.P.R. and 093714/Z/10/Z PhD scholarship to K.N.R.).
Lysogeny Broth (Lennox) | Sigma Aldrich | L3022-1KG |
Sucrose | Sigma Aldrich | S0389-1KG |
Lysogeny Broth with Agar (Lennox) | Sigma Aldrich | L2897-1KG |
Ampicillin sodium | Sigma Aldrich | A0166-25G |
Glycerol | Sigma Aldrich | G5516-1L |
Phosphate Buffered Saline, pH 7.4 | Life technologies | 10010-056 |
Tobramycin sulfate | Sigma Aldrich | T1783-100MG |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | 276855-250ML |
Genesys 10S UV-Vis spectrophotometer | Thermoscientific | 840-208100 |
2 mm gap electroporator cuvette | Bio-Rad | 1652092 |
BioRad GenePulser XCell electroporator | Bio-Rad | 1652662 |
Leica Fluorescent Stereomicroscope | Leica Microsystems | MZ16FA |
BRAND magnetic stirring bar, PTFE, cylindrical with pivot ring (sterilise by autoclaving before use) | Sigma Aldrich | Z328952-10EA |
384-well, white-walled, clear-bottom plates | Greiner | 781098 |
Multidrop Combi reagent dispenser | Thermo Scientific | 5840300 |
Multidrop Combi tubing | Thermo Scientific | 24073290 |
VIAFLO II 16-channel electronic pipette | Integra Biosciences | 4642 |
100 mL sterile disposable reagent reservoirs | Fisher Scientific | 12399175 |
AeraSeal air-permeable membranes | Sigma Aldrich | MKBQ1886 |
Pherastar plate reader (Software version: 4.00 R4, Firmware version: 1.13) | BMG Labtech | Pherastar FS |