Maya mayalarındaki canlı hücrelerin bir hücreli katlanarak değerlendirilmesi (ODELAY) olarak adlandırılan zaman atlamalı mikroskobi kullanarak katı miyar üzerinde kolonilere dönüşürken tek tek maya hücrelerinin büyüme fenotiplerini ölçmek için bir yöntem sunuyoruz. Kolonilere dönüşen genetik olarak özdeş hücrelerin popülasyon heterojenliği doğrudan gözlemlenebilir ve nicelenebilir.
Mikroorganizmaların büyüme fenotipleri, temel genetik uygunluğunun güçlü bir göstergesidir ve gecikme fazı, log fazı ve sabit faz olmak üzere 3 büyüme rejimine ayrılabilir. Her büyüme evresi, değişik çevresel ve genetik koşullarla ilişkili çeşitli zindelik yönlerini ortaya çıkarabilir. 3 aşamalı büyümenin yüksek çözünürlüklü ve kantitatif ölçümleri genellikle elde etmek zordur. Burada, Maya'nın yaşayan dizilerinin (ODELAY) Tek Hücreli Katına Getirilmesi Değerlendirmesi adlı bir tahlil kullanarak katı ortamdaki 3 büyüme evresinin karakterize edilmesi için ayrıntılı bir yöntem sunuyoruz. ODELAY, zaman atlamalı mikroskopi kullanarak katı ortamlar üzerine kolonilere büyüyen bireysel hücrelerin büyüme fenotiplerini nicelendirir. Bu yöntem, kolonilere büyüyen genetik olarak özdeş hücrelerdeki her büyüme parametresiyle nüfus heterojenliğini doğrudan izleyebilir. Bu nüfus heterojenliği, genetik ve epigenetik düzenlemeyi anlamaya yönelik benzersiz bir bakış açısı sunar veGenetik ve çevresel bozulmalar. ODELAY yöntemi mayayı kullanarak gösterilirken, parlak alan mikroskopisi ile görülebilen herhangi bir koloni oluşturan mikroorganizma üzerinde kullanılabilir.
Mikroorganizmaların çoğalma fenotipleri belirli bir çevre koşuluna temel oluşturan genetik uygunluğunun güçlü bir göstergesidir. Büyüme klasik olarak 3 farklı büyüme rejimine ayrılmıştır: gecikme fazı, log fazı ve sabit faz büyümesi 1 . Her büyüme evresi, çeşitli çevresel ve genetik koşullara bağlı olarak, çeşitli zindelik yönlerini ortaya çıkarabilir. Örneğin, gecikme süresi veya üstel büyüme başlamadan önce bir organizmanın gecikme fazında geçirdiği süre, bir organizmanın değişen çevresel koşullara tepki verme kabiliyetinin göstergesi olabilir 2 . Günlük faz büyümesindeki katlanma süresi, hücresel uygunluğun en yaygın metriği, bir organizmanın replikasyon için çevresel materyalleri metabolize ederek ve kullanarak bölünme kabiliyetinin genel verimliliğini ortaya koymaktadır. Günlük fazdan sonraki büyümenin hızla azaldığı durağan faz, fitness için başka bir göstergedir; bu normaldirSpot tabanlı maya büyüme tahlillerinde büyüme bitiş noktası olarak kullanılmıştır.
Birkaç maya büyüme tahlili şu anda mevcuttur ve mayada büyüme fenotiplerinin değerlendirilmesi için standart yöntemler olarak kabul edilmektedir 3 , 4 , 5 . Bu tahliller öncelikle katı maya veya sıvı ortamda maya yetiştirme yöntemlerine dayanmaktadır. Katı ortamda, koloni tutturma deneyleri az sayıda hücreyi bir iğne ile katı agara aktarır ve maya hücrelerinin belli bir süre boyunca büyümesine izin verilir. Koloniler daha sonra görüntülenecek ve boyutları bir uç nokta 6'da karşılaştırılacaktır . Bu koloni tutturma deneyleri genom geniş ekranlar üretmek için sağlam ve ölçeklenebilir olduklarını kanıtladı. Daha yakın zamanlarda, düz yatay tarayıcılar ve Tek Mercek Refleksi (SLR) kameralar kullanan periyodik görüntüleme, bu tahliller içine koloni gelişimini zamanla kaydetmek için dahil edilmiştir 7 , 8, 9 . Bununla birlikte, bu cihazların çözünürlüğü tek hücrelerin bulunmasını önler ve dolayısıyla bu koloni tutturma deneyleri gecikme süresini doğrudan gözlemez ve kolonilere dönüşen ayrı hücreler arasındaki varyasyonu gözlemleyemez.
Sıvı temelli büyüme tahlilleri genom geniş ekranlarını 3 gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Bir sıvı büyüme tahlilini zaman atlamalı mikroskopi ile birleştirmek, genetik olarak aynı bireysel hücrelerin katlanma zamanında popülasyon heterojenliğini ortaya çıkarmıştır; bu, genetik düzenlemeyi ve çevresel adaptasyonu anlamada önemli bir perspektif sunmaktadır. Bununla birlikte, bu test, gecikme süresi ve taşıma kapasitesi gibi büyümenin diğer yönlerini ölçmez. Burada ODELAY 11 olarak adlandırdığımız bir tahlil kullanarak katı ortam üzerinde koloni oluşturan mikroorganizmaların üç büyüme evresinin karakterize edilmesi için bir yöntem sunuyoruz. ODELAY utili kapsarKatı ortamlar üzerine kolonilere büyüyen tek hücrelerin görüntülerini kaydetmek için yüksek verimli zaman atlamalı mikroskopi. Kolonilere dönüşen tek tek hücrelerin bu popülasyonu, terminal son nokta skorlaması gibi daha az hassas ölçümlerle saptanmayan, temelde nüfus heterojenliğini ortaya koymaktadır. Mayadaki yöntemi gösteriyoruz, ancak ODELAY parlak alan mikroskobunda kontrast gösteren herhangi bir organizmaya uygulanabilir.
ODELAY tahlili, tekrarlanabilir ve güvenilir fenotipik ölçümlerin sağlanması için birkaç kritik noktaya sahiptir. İlk kritik nokta maya kültürlerinin tutarlı bir şekilde hazırlanmasıdır. Logaritmik büyümeden maya hücrelerinin hasatına dikkat edilmelidir. Kültürler doymuşsa, genetik veya çevresel ( ör. Karbon kaynağı) faktörlerin yol açtığı heterojenliği bozan nüfus heterojenliği artacaktır 11 . İkinci kritik nokta, medyanın tutarlı bir şekilde hazırlanmasıdır. Genel olarak, büyük bir hacimde 10X stok ortamı çözümü üretilmeli ve daha sonra yığın etkilerini en aza indirgemek için zamanla kullanılmalıdır. Ortamı, mümkün olduğunca ağırlık olarak formüle etmek, agarın yoğunluğunu temin ederek ortamdaki agaroz yoğunluğunu arttırarak ortamın tutarlılığını geliştirmeye yardımcı olur ve agarozun genel su içeriği yakından izlenebilir. Üçüncü kritik nokta, agarozun mekanik deformasyonunu en aza indirgemeyi veya ortadan kaldırmayı içerirçap. Ortamın mekanik deformasyonu, agarozun cam kaydıraklardan ayrılması sırasında en sık meydana gelecektir. Birçok laboratuvar tekniğinde olduğu gibi, bu adımı uygulamak için uygulama gerekmektedir.
Gecikme süresinin Şekil 4'te gösterildiği gibi değişimi genellikle üç faktörden biriyle ilişkilidir: agaroz ortamının mekanik deformasyonu, kalıplanmış agar kalınlığında değişim veya dengesiz bir ışık kaynağı. Agaroz ortamı, lekelenmiş dizi boyunca Z-yüksekliğinde farklılık gösteriyorsa, yükseklik değişimi otofokus rutininin aralığını bastırabilir ve bu da ilk görüntülerin biraz odak dışına çıkmasına neden olur. Bu nedenle, otofokus rutinin odağı bulmak için yeterli Z aralığına sahip olduğundan emin olmak için, orta noktada ve lekelenmiş dizinin kenarları boyunca odak noktasının yüksekliğini kontrol edin. Gerekirse, odak aralığını artırmak ve odak adımlarının sayısını artırmak için Otofokus panelini kullanın.
Üçüncü olası koşulYoğun odaklanmaya yol açabilecek iyon belirli bir Z-yüksekliği için hesaplanan odak noktasını bozabilen dengesiz veya titreşen bir ışık kaynağıdır. Tungsten halojen ampuller, ampuller yanmadan önce iyi titreşirler. Kötü odaklanma etkisi, büyüme eğrilerinin birinci ve ikinci zaman noktaları arasında dalgalandığı ( Şekil 5A) bir örnekte görülürken, bitişik nokta aynı dalgaya sahip değildir ( Şekil 5B). Bu durumda, kötü odaklanma durumu, tungsten halojen ışık kaynağının değiştirilmesi ile hafifletildi.
Uygulamada, yazarlar, 100W tungsten halojen ampullerin titremesini azaltmak için, ampullerin her 500 saatte bir değiştirilmesi gerektiğini veya yaklaşık 2 ayda bir mikroskopların ağır kullanımı altında olduğunu tespit ettiler. Titreyen bir ampulün odağın zayıf odak noktalarını önlemek için tungsten halojen ışık kaynağını sık sık değiştirin veya halojen ampulü bir diyotlu ışık kaynağı ile değiştirin. birŞekil 6'da çift katlama sürelerinde düşük varyasyonun yanı sıra daha düzgün gecikme süreleri gösteren bir veri kümesi örneği gösterilmektedir. Bu veri seti otomatik odaklamayı gerçekleştirirken zamanla daha kararlı bir aydınlatma sağlayan bir diyot aydınlatıcısı ile çekildi.
Burada medya hazırlığını optimize etmek için bahsedilen pek çok nokta açıkça görülebiliyor olsa da, literatürde en büyük ölçekli ekranlar 8 , 11 birbirleriyle iyi çoğalmamaktadır . Bu nedenle, daha çoğaltılabilir fenotipik ekranların üretilebileceği şekilde kültürlerin ve agaroz ortamının hazırlanmasını özenle tarif ettik.
ODELAY tahlili şu anda sentetik genetik diziler veya Scan-O-Matic tahlili gibi sabitleme tabanlı testlere kıyasla verimlilik açısından sınırlıdır. Bu yöntemler ölçülen suşların sayısını arttırırken, tek tek hücrelerin çözümlenmesinde bir yeteneği yoktur.Bu nedenle klonal maya suşlarında gözlemlediğimiz nüfus heterojenliğini ölçemez. Bu nüfus heterojenliğinin kökeni şu an anlaşılmamıştır, ancak burada gösterilen teknoloji ve hesaplamanın bir araya getirilmesi altında yatan hücresel mekanizmaları nesnel olarak ele alma fırsatı sunmaktadır 12 .
Yazarlar, ODELAY'in şu anda sadece belirli bir mikroskop markası ve vücut tipi için optimize edildiğini belirtmek ister. ODELAY'ı diğer mikroskop sistemler için değiştirmeniz açıktır, ancak açık kaynak API 13'ün bilgisi gerekecektir. Bununla birlikte, hem API, hem de ODELAY betiği farklı sistemlere ve deneysel tahlillere kolayca uyarlanacak şekilde yazılmıştır.
ODELAY orijinal olarak maya için geliştirilmiş iken, Mycobacterium smegmatis'in büyümesini gözlemlemek için onu değiştirmeden kullanabiliriz. Diğer koloni oluşturan mikroorganizmaların gözlemlenmesiSağlanan kaynak kodundaki değişikliklerle mümkündür 11 . Genel olarak ODELAY, farklı çevresel koşullar ve genetik karışıklıklar altında yetiştirilen mikroorganizmaları karşılaştırmak için güçlü ve esnek bir araçtır.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, ABD Ulusal Sağlık Enstitülerinden JDA'ya U54 RR022220 ve P50 GM076547 hibe vererek bu çalışmanın desteğini onaylıyorlar. FDM, Kanada Sağlık Araştırmaları Enstitülerinde doktora sonrası bir araştırmacıdır. Destek için ayrıca Lüksemburg Sistem Biyotıp ve Lüksemburg Üniversitesi'ne teşekkür ediyoruz.
Agarose UltraPure | ThermoFisher | 16500500 | Gel Temp 36C, Gel Strength (1%) 1.2g/sq cm |
Yeast Extract Peptone (YEP) | Fisher Scientific | BP1422-2 | |
Complete Suplement Mixture (CSM) | Fisher Scientific | MP114560222 | |
Polyethylene Glycol 3350 (av. mol. wt. 3000-3700) | SigmaAldrich | P2906 | |
Yeast Strain BY4741 | ThermoFisher | 95400.BY4741 | |
Yeast Strain BY4742 | ThermoFisher | 95400.BY4742 | |
50mL Falcon tubes | Corning | 430291 | 1 case |
15mL Falcon tubes | Corning | 352096 | |
2 x 3 inch 1.0mm thick slides 1/2 gross | VWR | 48382-179 | |
96 well plate flat bottom | Corning | 353072 | |
Hydra liquid handleing robot | Thermo | 1096-DT-100 | |
Hamilton Microlab Star Liquid Handleing Robot | Hamilton | ||
hydra 100 mL tips Extended Length DARTS | Thermo | 5527 | |
Synergy H4 Plate Reader | Biotek | H4MLFAD | |
Leica DMI6000 B Microscope | Leica | ||
Leica 10X/0.3NA objective | Leica | 11506289 | |
Hamamatsu ORCA Flash 4.0 Camera | Hamamatsu | C11440-22CU | |
MATLAB with image processing tool box | Mathworks | ||
MicroManager | Open Imaging | https://micro-manager.org/ | |
ODELAY Microscope Control (MATLAB scripts and GUI) | www.aitchisonlab.comODELAY for Matlab scripts and software | ||
ODELAY Microscope Chamber | www.aitchisonlab.comODELAY for Mechanincal Drawings | ||
ODELAY Agar Molds | www.aitchisonlab.comODELAY for mold drawings |