Diş plaklarını filtre ederek ve konak bakterilerle birlikte kültleştirerek, saccharibacteria adlı yeni bakteriyel fitülümün yetiştirilmede zor olan üyelerini izole etmek için bir yöntem gösteriyoruz.
Birçok bakteri türü standart yöntemler kullanılarak laboratuvarda kültürlenemez ve yeryüzündeki mikrobiyal çeşitliliğin çoğunluğunu incelemek için önemli bir engel oluşturur. Bu kültürsüz bakterileri kültüre etmek için yeni yaklaşımlar gereklidir, böylece araştırmacılar laboratuvarda bulunan güçlü araçları kullanarak fizyolojilerini ve yaşam tarzlarını etkili bir şekilde inceleyebilirler. Aday Phyla Radyasyon (CPR), dünyadaki canlı çeşitliliğinin ~ % 15’ini oluşturan en büyük kültürsüz bakteri gruplarından biridir. Bu grubun ilk izole saccharibacteria phylum bir üyesi oldu, ‘Nanosynbacter lyticus‘ strain TM7x. TM7x bakteri konakçısı, Schaalia odontolytica, suş XH001 ile doğrudan temas halinde bir symbiont olarak yaşayan alışılmadık derecede küçük bir bakteridir. Alışılmadık derecede küçük hücre boyutundan ve simbiyotik bir organizma olarak yaşam tarzından yararlanarak, Saccharibacteria’yı diş plağını hızla kültüre etmek için bir protokol geliştirdik. Bu protokol, diş plağının askıya alınmasının 0,2 μm filtreden nasıl filtrelanacağını, daha sonra toplanan Saccharibacteria hücrelerinin nasıl konsantre olacağını ve konak organizma kültürünün nasıl enfekte olacağını gösterecektir. Ortaya çıkan kokültür, herhangi bir normal bakteri kültürü ve enfeksiyon PCR tarafından doğrulandıkça geçiş yapılabilir. Elde edilen ikili kültür laboratuvarda korunabilir ve gelecekteki deneyler için kullanılabilir. Kontaminasyon bir olasılık olsa da, ikili kültür, konağın daha fazla filtre edilmesi ve yeniden enfekte edilmesi veya ikili kültürün kaplanması ve enfekte koloniler için tarama ile arındırılabilir. Umarız bu protokol diğer örnek türlere ve ortamlara genişletilebilir ve cpr’da daha birçok türün yetiştirilmesine yol açabilir.
Yeni bakteri türlerinin kült haline getirilmesi ve laboratuvara getirilmesi, güçlü deneylerin fizyolojilerini ve mikrobiyal topluluklarındaki daha geniş etkileşimlerini daha iyi anlamalarını sağlar. Bu soruları sorgulamanın kültürsüz yöntemleri (örneğin, “meta-omiks”) olsa da, çeşitli mikrobiyal popülasyonların karmaşık etkileşimleri, tek değişkenleri birbirinden ayırmayı ve anlamlı sonuçlara ulaşmayı zorlaştırır. Bakterileri kültleştirmenin birçok faydası olsa da, bir bakteriyi izole etmenin ve saf kültürde yetiştirmenin birçok potansiyel engeli vardır. Potansiyel spesifik büyüme gereksinimleri arasında pH, oksijen gerginliği, vitaminler, büyüme faktörleri, sinyal molekülleri ve hatta büyümeyi ortaya çıkarmak için doğrudan hücre teması1bulunur. Bununla birlikte, spesifik auxotrophies’in yeni bakteri türlerini kültlemede birincil caydırıcı olduğuna inanılmaktadır. Standart medya formülasyonları, belirli vitaminler veya karbon kaynakları gibi kültürsüz bakterilerin gerektirdiği birçok besin maddesinden yoksundir. Bu eksik moleküller, kültürsüz bakterilerin fizyolojisi için anahtar olabilir ve genellikle mikrobiyal topluluktaki başka bir organizma veya konak organizma tarafından sağlanır. Örneğin, mücinler gibi karmaşık karbonhidratlar hayvan konakçıları tarafından sağlanabilir. Bunları medyaya eklemek, Akkermansia muciniphila ve Mucinivorans hirudinis 2,3,4dahil olmak üzere hayvan bağırsaklarından birkaç bakterinin yetiştirilmesine izin etti. Birçok patojenik bakteri, oral patojen Porphyromonas gingivalis5de dahil olmak üzere hayvan hücrelerinde hemin’e bağlı demir kullanma yeteneğini geliştirmüştür. Laboratuvarda, Porphyromonas ve diğer organizmaların büyümesi, hemin6ilavesi ile uyarılabilir.
Son zamanlarda, bakterilerin yeni izolelerini kültlemede birçok atılım, büyümeleri için gerekli olan kültürsüz bakterilere belirli faktörler sağlamak için bir “besleyici” organizma kullanarak birlikte kültleme yoluyla geldi. Vartoukian ve meslektaşları tarafından yapılan zarif bir çalışma, bakteriler tarafından üretilen demir bağlayıcı moleküller olan siderophores’un birkaç yeni oral izolatın büyümesini uyardığını göstermiştir. Pseudomonad türleri tarafından üretilen bir tür siderophoreolan pyoverdines , yeni bir Prevotella türünün büyümesini önemli ölçüde kolaylaştırdığı gösterilmiştir7. Aynı çalışmada, chloroflexi fitülotu için ilk oral izole, ayrıca F. nükleatum’un henüz bilinmeyen bileşik7sağlamak için yardımcı olarak kullanılmasıyla yetiştirildi. Daha yakın zamanda, Ruminococcaceae cinsinden bir bakteri, bacteroides fragilis yardımcı organizma olarak kullanılarak izole edildi8. Daha sonra laboratuvar ortamlarında büyüme için inhibitör bir nörotransmitter olan gama aminobütirik asidin (GABA) gerekli olduğu gösterilmiştir. Besleyici organizmaların kullanılması, kültürlenmemiş bakterilerin büyüdüğü belirli mikroçevreleri taklit etmek için önemli bir strateji olduğunu, büyüme ortamlarını farklı konsantrasyonlarda farklı katkı maddeleri ile sürekli olarak yeniden biçimlendirmekten daha verimli olduğunu kanıtlamıştır.
Kültürsüz bakterilerin en büyük gruplarından biri, birkaç aday bakteriyel phyla9,10’danoluşan monofiletik bir grupolan“Aday Phyla Radyasyonu” (CPR) içindedir. Bu yazıdan dolayı laboratuvarda sadece CPR içindeki Saccharibacteria fitilinin üyeleri başarıyla kültürlenmiştir. İlk izole, ‘Nanosynbacter lyticus’ suşu TM7x, kültürsüz TM711,12için zenginleşerek tahmin edilen antibiyotik streptomisin kullanılarak izole edildi. Bu çalışmanın önemli bir keşfi, yeni izolatın bakteri konak sahibi Schaalia odontolyticaile doğrudan temas halinde büyüyen bir parazit olarak büyümesi ve mikroskopinin bu parazitlerin ultrasmall bakteriler olduğunu göstermesiydi.
Bu ipuçlarını kullanarak, diş plağı ve diğer oral örnekleri 0,2 μm filtreden geçirerek, filtrattaki hücreleri santrifüjleme ile toplayarak ve aday konak bakteri kültürlerini enfekte etmek için kullanarak ortaklarıyla hızlı bir şekilde Sakkaripteri ikili kokültürleri oluşturmak için bir yöntem tasarladık. Bu yöntem, hızlı büyüyen organizmalarla boğulabilen zenginleştirme kültürlerinden kaçınma avantajına sahiptir. Ayrıca, hedeflenen Saccharibacteria türlerinin veya konaklarının büyümesini durdurabilecek antibiyotik kullanımından kaçınır. Burada gösterilen yöntemi kullanarak, Saccharibacteria fitilinden 32 izolatını başarıyla kültürledik.
Plak filtreleme ve konak organizmaların saf kültürlerine uygulama yöntemimiz büyük ölçüde ilk kültürlü Saccharibacteria, ‘Nanosynbacter lyticus’ suşu TM7x11 , 14,15üzerindeki önceki gözlemlere dayanmaktadır. Küçük hücre büyüklüğü göz önüne alındığında, bir filtre kullanılarak diş plağından ayrılabileceklerini ve santrifüjleme ile konsantre olabileceklerini bulduk. İkincisi, bu organizmalar parazit olarak yaşadıklarından, bu hücrelere saf konak kültürleri sağlamak, bir simbiyoz içine girmelerine ve ikili kültürler olarak büyümelerine izin verecektir.
Bu yöntemin bir avantajı, zenginleştirme kültürü veya seçici baskı gerektirmemesidir. ‘Nanosynbacter lyticus’ suşu TM7x, streptomisin seçici bir ajan olarak kullanılarak zenginleştirme kültüründen kültürlenmiştir, bu da sıralamanın Saccharibacteria için zenginleştirmede etkili olacağını öne sürmüştür. Tesadüfen, ‘Nanosynbacter lyticus’ Schaalia odontolytica, streptomisin16’yakarşı dirençli olduğu bilinmektedir. Antibiyotiklerin seçici bir ajan olarak kullanılması, konak organizmanın büyümesini de engelleyebilir ve bu da Saccharibacteria’nın büyümesini önler.
Zenginleştirme kültürlerini kullanmanın daha büyük bir sorunu, hızlı büyüyen organizmaların ilgi çekici organizmaları hızla yerinden edecek olmasıdır. Örneğin, ağız boşluğunda, Streptococcus türleri hızlı bir şekilde büyüyebilir ve büyüme ortamında şeker varsa, ortamı asitleştirmek için yeterli asit üretebilir ve ilgi çekici organizmalara karşı daha fazla seçim yapabilir. Zenginleştirme kültüründen ve seçici antibiyotiklerden kaçınarak, yöntemimiz, bu diğer yöntemlerin komplikasyonları olmadan daha geniş bir Saccharibacteria ve potansiyel konaklara uygulanabilecek genel bir yaklaşım sağlar.
Burada sunulan yöntemin önünde bazı engeller bulunmaktadır. İlk olarak, bu yöntem Saccharibacteria’nın ikili bir kültürde yaşadığını varsayar. Etkinliklerini ölçmek için trinary veya üçlü kültür kombinasyonlarını test etmedik, ancak tek bir konak organizmanın sağlayamadığı büyüme faktörleri gerektiren muhtemel Sakkarakteri vardır. Saccharibacteria’nın büyümesini destekleyebilecek geniş ağız bakteri kombinasyonlarını test etmek göz korkutucu bir iş olacaktır. İkinci olarak, yöntem tüm Saccharibacteria’nın 0,2 μm filtreden geçecek kadar küçük olduğunu varsayar. Diğer Saccharibacteria inanılandan daha büyük olabilir ve filtre bu organizmalara karşı seçiyor olabilir. Daha büyük gözenek boyutuna sahip bir filtre kullanılabilir, ancak bu, enfekte olmuş ortak kültüre daha fazla istenmeyen oral bakteriye izin verme riskiyle karşı karşıyadır. Son olarak, daha önce yayınlanmış olanların dışında konak türleri bulmak çok zordur. Şimdiye kadar, tek başarılı konakçı actinomyces, Schaalia, Arachnia ve Selülosimicrobiumcins türleridir, phylum Actinobacteria15,17,18’intüm üyeleri. Ancak, bu konaklar sadece belirli Saccharibacteria’nın büyümesini destekler. Daha fazla Saccharibacteria türünü kültüre etmek için, daha birçok konak keşfedilmelidir.
Burada sunulan yöntemin Saccharibacteria ve diğer CPR organizmalarının gelecekteki araştırmalarına yardımcı olacağını umuyoruz. Metasagenomik dizileme, bu organizmaların da küçük genomlara sahip olduğunu ve symbiont olduğundan şüphelenildiğini veya metabolitler ve hayatta kalmaları için kritik olan diğer faktörleri sağlamak için yerel mikrobiyal topluluğa güvendiklerinden şüphelenilmelerini önermektedir19. Benzer bir filtreleme stratejisi, bu organizmaları yeterince küçük olmaları ve konak organizmalarının kültürlenebilmesi koşuluyla izole etmek için kullanılabilir. Burada açıklanan yöntemler, laboratuvar kültürünün güçlü araçlarını bu büyük ve çeşitli bakteri grubuna getirmenin ilk adımıdır.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar Anne Tanner, Bruce Paster, Heike Boisvert, Xuesong He ve Batbileg Bor’a yararlı tartışmalar ve bakteri suşları sağladıkları için teşekkür etmek istiyor. Susan Yost ve Jessica Woods’a mikrobiyal teknik yardımları için teşekkür ederiz. Bu yayında bildirilen araştırmalar, Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Diş ve Kraniyofasiyal Araştırma Enstitüsü tarafından R37 DE016937 (FED), R01 DE024468 (FED) ve T32 DE007327 (AJC) ödül numaraları altında desteklenmiştir. İçerik sadece yazarların sorumluluğundadır ve Ulusal Sağlık Enstitülerinin resmi görüşlerini temsil etmek zorunda değildir.
Agarose | Fisher Scientific | BP160-100 | |
Alphaimager | Cell Biosciences | FluorChem HD2 | Or equivalent UV gel imaging system |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213-101 | |
Brain Heart Infusion Broth (dehydrated powder) | Becton-Dickinson | 211059 | Or other growth media suitable for target organisms |
Centrifuge Rotor 70-Ti | Beckman Coulter | 337922 | |
Cryovials | Fisher Scientific | 12-567-500 | |
DMSO | Fisher Scientific | BP231-100 | |
Electrophoresis Power Supply | Bio-Rad | 1645052 | |
Electrophoresis Rig | Bio-Rad | 1704467 | |
Filter Forceps | Millipore Sigma | XX6200006P | Not essential, helps ensure filters are not punctured during handling |
Glycerol | Fisher Scientific | G33-500 | |
GoTaq Green Mastermix | Promega | M7122 | |
Mastercycler Pro Thermocycler | Eppendorf | 950040025 | Or equivalent thermocycler for PCR |
MgCl2 solution 25mM | Promega | A3513 | |
Molecular Biology grade water | Fisher Scientific | BP2819100 | |
O2 Control InVitro Glove Box | Coy Laoratories | 031615 | If needed for microaerobic organisms |
Optima L-100 XP High Speed Centrifuge | Beckman Coulter | 8043-30-1124 | |
P-10 micro pipette | Gilson | F144802 | |
P-1000 micro pipette | Gilson | F123601G | |
P-2 micro pipette | Gilson | F144801 | |
P-20 micro pipette | Gilson | F123600 | |
P-200 micro pipette | Gilson | F123602G | |
PBS | Fisher Scientific | BP399500 | |
PCR tubes 0.2 mL | Fisher Scientific | 14-230-205 | |
Peptone | Fisher Scientific | BP1420-500 | |
Pipette tips – 10 μL | Fisher Scientific | 02-717-157 | |
Pipette tips – 1000 μL | Fisher Scientific | 02-717-166 | |
Pipette tips – 20 μL | Fisher Scientific | 02-717-161 | |
Pipette tips – 200 μL | Fisher Scientific | 02-717-165 | |
Polycarbonate filters – 47mm, 0.2 μm pore size | Millipore | GTTP04700 | |
Screw-cap conical centrifuge tubes 15 mL | Falcon | 352096 | Or other tube suitable for bacterial culture |
Sodium chloride | Fisher Scientific | BP358-1 | |
Swin-Lok Filter – 47mm | Whatman | 4200400 | |
SYBR Safe DNA Gel stain | ThermoFisher Scientific | S33102 | |
Syringes – 20 mL | Fisher Scientific | 14-955-460 | |
TAE Buffer (50x) concentrate | Fisher Scientific | P1332500 | |
Thickwall Polycarbonate 25 x 89 mm (26.3mL capacity) centrifuge tubes with caps | Beckman Coulter | 355618 | |
Tryptic Soy Blood Agar Plates | Northeast Laboratory Services | P1100 | Or other agar plate sufficient for growth of host organisms |
Tryptic Soy Broth (dehydrated powder) | Becton-Dickinson | 211825 | Or other growth media suitable for target organisms |
Vinyl Anaerobic Chamber | Coy Laboratories | 032714 | If needed for anaerobic organisms |
Vortex mixer | Scientific Industries | SI-0236 | |
Yeast Extract | Fisher Scientific | BP1422-500 |