Dit manuscript beschrijft een methode voor het gebruik van eencellige fluorescentiemicroscopie om bacteriële concurrentie in cocultuur te visualiseren en te kwantificeren.
Interbacteriële concurrentie kan direct van invloed zijn op de structuur en functie van microbiomen. Dit werk beschrijft een fluorescentiemicroscopiebenadering die kan worden gebruikt om competitieve interacties tussen verschillende bacteriestammen op eencellig niveau te visualiseren en te kwantificeren. Het hier beschreven protocol biedt methoden voor geavanceerde benaderingen in diavoorbereiding op zowel rechtopstaande als omgekeerde epifluorescentiemicroscopen, live-cell en time-lapse beeldvormingstechnieken en kwantitatieve beeldanalyse met behulp van de open-source software FIJI. De benadering in dit manuscript schetst de kwantificering van competitieve interacties tussen symbiotische Vibrio fischeri-populaties door de verandering in oppervlakte in de loop van de tijd te meten voor twee samengebroede stammen die verschillende fluorescerende eiwitten uit stabiele plasmiden tot expressie brengen. Alternatieve methoden worden beschreven voor het optimaliseren van dit protocol in bacteriële modelsystemen die verschillende groeiomstandigheden vereisen. Hoewel de hier beschreven test gebruik maakt van omstandigheden die zijn geoptimaliseerd voor V. fischeri,is deze benadering zeer reproduceerbaar en kan deze gemakkelijk worden aangepast om de concurrentie tussen kweekbare isolaten uit diverse microbiomen te bestuderen.
Dit artikel schetst een methode voor het kwantificeren van bacteriële concurrentie op het niveau van één cel met behulp van fluorescentiemicroscopie. De structuur en functie van microbiële gemeenschappen wordt vaak gevormd door competitieve interacties tussen microben, en in veel gevallen vereist het karakteriseren van deze interacties het observeren van verschillende bacteriestammen in coincubatie1,2,3,4,5,6,7,8 . Traditioneel wordt bacteriële concurrentie op populatieniveau gekwantificeerd door kolonievormende eenheden (CFU’s) van remmer- en doelstammen voor en na een coincubatieperiode te tellen2,9. Mechanismen voor microbiële competitie zijn breed verdeeld over bacteriën en kunnen afhankelijk zijn van diffusie of cel-celcontact om doelcellen te remmen10,11,12,13,14,15,16,17,18,19.
Hoewel bacteriestammen vaak worden waargenomen in coincubatie op populatieniveau, schetst dit manuscript een test voor eencellige kwantificering van bacteriële concurrentie. Verder bevat dit werk suggesties voor het aanpassen van het protocol voor het gebruik met andere bacteriesoorten. Hoewel de specifieke technieken in dit artikel worden gebruikt om contactafhankelijke intraspecifieke concurrentie tussen stammen van de symbiotische bacterie Vibrio fischeri20 , 21,22te bestuderen, kunnen ze worden aangepast voor concurrentie tussen vele organismen. Dit artikel bevat instructies voor het instellen van dia’s op zowel rechtopstaande als omgekeerde microscopen, en alle analyse wordt beschreven met behulp van de open-source software FIJI23, zodat de methode kan worden gebruikt door onderzoekers met toegang tot verschillende beeldvormingsinstellingen en analyseprogramma’s. Gezien het belang van het bestuderen van microbiële concurrentie op zowel populatie- als eencellig niveau, zal deze methode een waardevolle bron zijn voor onderzoekers om concurrerende interacties te kwantificeren, met name die welke geen toegang hebben tot eigen analysesoftware.
Het hierboven beschreven protocol biedt een krachtig hulpmiddel voor het kwantificeren en karakteriseren van interbacteriële concurrentie op het niveau van één cel. Deze test, die werd ontwikkeld door onze op CFU gebaseerde concurrentietest op agarplaten1,2tewijzigen, maakte de visualisatie van eencellige concurrentie tussen V. fischeri-isolaten mogelijk en er worden suggesties gegeven voor het optimaliseren van de methode voor een breed scala aan systemen en microscopie-opstellingen. Hoewel de hier beschreven methode is geoptimaliseerd voor de lichtorgaansymbiont V. fischeri,kan deze gemakkelijk worden aangepast om veel verschillende, kweekbare microben te huisvesten. Het is belangrijk op te merken dat concurrentiemechanismen kunnen worden gereguleerd door een willekeurig aantal omgevingsvariabelen, waaronder temperatuur, zoutgehalte en viscositeit30,31,32,33,34. Eerder werk heeft bevestigd dat V. fischeri concurreert met behulp van een contactafhankelijk Type VI Secretiesysteem dat actief is op oppervlakken30, waardoor de omstandigheden beschreven in deze test geschikt zijn voor het bestuderen van concurrentie tussen de voorbeeldstammen. Het is ook belangrijk om rekening te houden met de initiële dichtheid van cellen op de dia bij het kwantificeren van bacteriële concurrentie. Aangezien contact tussen doel- en remmercellen vaak nodig is om te doden, moet de gemengde cultuur zodanig worden geconcentreerd dat het cel-celcontact wordt gemaximaliseerd en cellen in één vlak op de dia blijven. Celculturen moeten worden gekweekt tot een vergelijkbare optische dichtheid (mid-log fase) en vervolgens worden geconcentreerd om contact te forceren in plaats van eenvoudigweg culturen te laten groeien tot een hogere optische dichtheid als gevolg van de fysiologische veranderingen van cellen in verschillende groeifasen. In andere systemen moeten de kweekomstandigheden en de experimentele opstelling mogelijk worden gewijzigd om ervoor te zorgen dat het concurrentiemechanisme actief is en kan worden gedetecteerd in de coincubatieconditie.
De agarose pads die in deze test worden gebruikt, bieden verschillende voordelen: ze bieden stabilisatie zodat cellen niet vrij bewegen en ze voorkomen dat de cultuur in de loop van het experiment uitdroogt. Bovendien, als chemische inductoren, zoals isopropyl-β-D-thiogalactoside (IPTG), nodig zijn voor het experiment, kunnen ze gemakkelijk worden toegevoegd aan de agarose-oplossing. Het is echter belangrijk op te merken dat het agarosepreparaat waarschijnlijk moet worden aangepast voor verschillende systemen. In het hierboven beschreven voorbeeld werd de agarose pad bereid door 2% agarose (w/v) op te lossen in 20 psu mPBS, het standaard zoutgehalte dat wordt gebruikt in V. fischeri groeimedium. Bovendien moet in sommige gevallen een koolstofbron aan de agarose-pad worden toegevoegd om cellen te laten groeien en concurreren tijdens langere experimenten. In een dergelijk geval kan de mPBS in agarose pads worden vervangen door elk groeimedium, hoewel de voedingsstoffen in het groeimedium kunnen komen met de afweging van extra achtergrondfluorescentie.
Zonder eigen beeldanalysesoftware kan het erg moeilijk zijn om individuele celtellingen te krijgen wanneer het cel-celcontact hoog is, wat, zoals we hier laten zien, nodig is om contactafhankelijk doden te observeren. Deze test is ontworpen om een alternatieve methode voor kwantificering te bieden die niet afhankelijk is van individuele celtellingen. In plaats daarvan wordt het totale celoppervlak voor elk fluorescentiekanaal gebruikt om de mate van doden tussen samengebroede stammen te kwantificeren. Omdat deze methode afhankelijk is van het gebied in plaats van het aantal afzonderlijke cellen, zijn standaarddrempelinstellingen meestal voldoende om het totale celoppervlak te schetsen. De nauwkeurigheid van de drempelwaarde kan worden geverifieerd door het totale objectoppervlak voor een representatief gezichtsveld te delen door de gemiddelde celgrootte voor het modelorganisme en dit geschatte celgetal te vergelijken met een handmatig celgetal voor hetzelfde beeld.
In coincubations tussen één remmer en één doel (niet-killer) stam wordt de nettogroei van de remmer voorspeld. Zoals te zien is in figuur 4,kan de groei van remmers significant hoger zijn bij behandelingen waarbij doden wordt waargenomen, in vergelijking met behandelingen waarbij doden niet wordt waargenomen, misschien omdat voedingsstoffen die vrijkomen door lyserende doelcellen de remmerstam sneller laten groeien. In het hier getoonde voorbeeld wordt netto doelsterfte waargenomen omdat T6SS-gemedieerde concurrentie resulteert in doelcellysis waarbij het doelwit fysiek wordt geëlimineerd. Het is echter belangrijk op te merken dat niet alle concurrentiemechanismen resulteren in de fysieke eliminatie van doelcellen. Als een doelwit wordt uitgeschakeld door een toxine dat groeiremming veroorzaakt, kan het hier beschreven protocol ertoe leiden dat de zichtbare doelpopulatie in de loop van de tijd stabiel blijft, omdat doelcellen niet langer groeien maar ook niet lyseren. In een dergelijk geval zou het passend zijn om de resultaten van deze test te vergelijken met vervolgtests voor de levensvatbaarheid van doelcellen, zoals plating voor kolonievormende eenheden (CFU’s) of door levend-dode assays uit te voeren door kleuring met propidiumjodide of SYTOX groen35,36.
Vergeleken met coincubatie-assays die afhankelijk zijn van CFU-tellingen, maakt deze test het mogelijk om de ruimtelijke structuur van concurrentie tussen stammen te observeren en te kwantificeren en veranderingen in de morfologie van doelcellen in de loop van de tijd te volgen. Het is bijvoorbeeld bekend dat remmercellen die doden met behulp van een T6SS coderen voor LysM-domeineiwitten die de doelcelwand afbreken, wat resulteert in initiële celronding en vervolgens lysis13, wat we hebben waargenomen in het voorbeeld in figuur 2A. Verder kan dit protocol worden gebruikt om de concurrentie met hoge resolutie over zeer korte tijdschalen te volgen. In het hier getoonde voorbeeld wordt een significante afname van het doelgebied waargenomen na slechts twee uur wanneer cellen overvol zijn en cel-celcontact wordt geforceerd tussen stammen(figuur 4). De hier beschreven beeldanalyse zou ook kunnen worden uitgevoerd met behulp van confocale microscopie, die het mogelijk zou maken om bacteriële concurrentie in vivo of in complexe biofilms te bestuderen, zonder de ruimtelijke verdeling van coincubated stammen te verstoren.
Samenvattend is de hier beschreven test bedoeld om een toegankelijke en gemakkelijk te wijzigen aanpak te bieden voor het visualiseren en kwantificeren van bacteriële concurrentie op het niveau van eencellige met behulp van fluorescentiemicroscopie. Deze methode kan worden toegepast op diverse bacteriële isolaten en kan worden gebruikt om bacteriële concurrentie te visualiseren, zelfs in complexe omgevingen zoals binnen een gastheer of biofilmmatrix.
The authors have nothing to disclose.
A.N.S werd ondersteund door NIGMS-subsidie R35 GM137886 en S.N.S werd ondersteund door het National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program.
1.5 mL Microcentrifuge tube | Fisher | 05-408-129 | |
10 uL single channel pipette | |||
1000 uL single channel pipette | |||
20 uL single channel pipette | |||
200 uL single channel pipette | |||
Agarose | Fisher | BP165-25 | Low melting agarose |
Calculator | |||
Cellvis 35 mm Dish | Fisher | NC0409658 | #1.5 cover glass bottom |
Chloramphenicol | Sigma | C0378 | stock (20 mg/mL in Ethanol); final concentration in media (2 μg /mL LBS) |
DAPI Nucleic Acid Stain | Fisher | EN62248 | optional (if not using stable plasmids) |
FIJI image analysis sofware | ImageJ | https://imagej.net/Fiji/Downloads | open-source software |
Fisherbrand Cover Glasses: Circles | Fisher | 12-545-81P | #1.5 cover glass; 12 mm diameter |
Kanamycin Sulfate | Fisher | BP906-5 | stock (100 mg/mL in water, filter sterilize); final concentration in media (1 μg/mL LBS) |
Lens Cleaning Tissue Paper | Fisher | S24530 | |
Parafilm | Fisher | 13-374-12 | |
Petri Plates | Fisher | FB0875713 | sterile with lid |
Razor Blades | Fisher | S65921 | |
Semi-micro Cuvettes | VWR | 97000-586 | |
Spectrophotometer | |||
SYBR Green Nucleic Acid Stain | Fisher | S7563 | optional (if not using stable plasmids) |
Thermo Scientific Gold Seal Plain Microscope Slides | Fisher | 12-518-100B | |
Thermo Scientific Richard-Allan Scientific Cover Glass | Fisher | 22-050-235 | #1.5 cover glass, 25 mm2 |
Type F Immersion Oil | Fisher | NC0297589 | |
Upright or inverted fluorescence microscope with camera and imaging software | Images in this article were acquired on a Nikon TI-2 inverted fluorescent microscope outfitted with an ORCA-Fusion Digital CMOS camera using NIS-Elements software. | ||
Vortex | |||
Water bath | Used to keep agarose warm prior to pipetting | ||
LBS media | |||
1M Tris Buffer (pH ~7.5) | 50 mL 1 M stock buffer (62 mL HCl, 938 mL DI water, 121 g Trizma Base) | ||
Agar Technical | Fisher | DF0812-17-9 | 15 g (Add only for plates) |
DI water | 950 mL | ||
Sodium Chloride | Fisher | S640-3 | 20 g |
Tryptone | Fisher | BP97265 | 10 g |
Yeast Extract | Fisher | BP9727-2 | 5 g |
mPBS (marine PBS) | Phosphate buffered saline with marine salts added; used for making agarose pad | ||
10X PBS | Fisher | ICN1960454 | |
Instant Ocean Sea Salt | Instant Ocean | SS1-160P | Adjust concentration to appropriate salinity; 20 psu used here |
Sterile Vacuum Filter Units | Fisher | SCGVU01RE | Used to filter-sterilize mPBS |
Vacuum pump | Used to filter-sterilize mPBS |