В данной статье описывается анализ высокой пропускной способностью, которая была успешно создана для скрининга больших библиотек малых молекул для их потенциальной способности манипулировать клеточные уровни циклического ди-GMP в синегнойной палочки, обеспечивая новый мощный инструмент для антибактериальной обнаружения наркотиков и соединения тестирования.
Устойчивость бактерий к традиционным антибиотикам привела исследовательские попытки определить новые цели наркотиков в недавно обнаруженных регуляторных путей. Регуляторные системы, которые используют внутриклеточного циклического ди-ГМФ (C-ди-ГМФ) в качестве вторичного мессенджера один такой класс цели. с-ди-GMP является сигнальной молекулой найти почти все бактерии, которая действует для регулирования широкий спектр процессов, в том числе устойчивость к антибиотикам, образование биопленки и вирулентность. Понимание того, как с-ди-ГМФ сигнализации средства управления аспекты антибактериальной развития устойчивостью биопленок предложил подходов, которые позволили изменение клеточных концентраций нуклеотида или нарушения этих сигнальных путей может привести к уменьшению образования биопленки или повышенной восприимчивости биопленок к антибиотикам. Мы опишем простой протокол с высокой пропускной способностью bioreporter, на основе зеленого флуоресцентного белка (GFP), экспрессия которого находится под контролем промотора отзывчивым с-ди-ГМФ CDRA, Чтобы быстро экранировать для малых молекул с потенциалом модулировать клеточные уровни с-ди-GMP в синегнойной палочки (синегнойной). Этот простой протокол может экранировать вверх 3500 соединений в течение 48 часов и имеет возможность быть адаптирован к нескольким микроорганизмам.
Быстрое развитие бактериальной резистентности против клинически значимых антибиотиков является одной из основных проблем в настоящее время сталкивается специалистов в области здравоохранения во всем мире. Эта неудача традиционных антибиотиков привела новые поиски химического вещества , которые могут препятствовать бактериальных процессов , вовлеченных в вирулентности и прогрессирования заболевания 1. Одним из таких регуляторная система , которая использует внутриклеточный вторичный мессенджер циклический ди-GMP (с-ди-GMP) в последнее время стали мишенью с многообещающей действия 2-4. Установлено , что эта глобальная вторая молекула мессенджер сигнала регулирует многие функции , включая устойчивость к антибиотикам, адгезии, образования биопленки и болезнь 2-4.
Теперь понял, что клеточный уровень с-ди-ГМФ в бактериальной клетке контролируется синтезом и деградацией в результате чего две молекулы ГТФ используются для синтеза с-ди-ГМФ по GGDEF домен-содержащих diguanylate циклаз (РСК), КНereas Деградация C-ди-ГМФ катализируется фосфодиэстеразы (ФДЭ-ферменты), которые имеют либо ОУД или домен HD-Gyp (обзор в (3, 5)). Белки , содержащие эти домены часто содержат другие сигнальные домены, предполагая , что их активность в обороте с-ди-GMP регулируется либо непосредственно , либо опосредованно с помощью окружающей среды или клеточных репликами 3,5. Следовательно, с-ди-ГМФ сигнализации функций, чтобы связать зондирования различных экологических репликами с изменениями в бактериальной фенотипа. C-ди-ГМФ оказывает свое регулирующее действие на бактерии на уровне транскрипции, после транскрипции и посттрансляционной различными механизмами 4.
Большое влияние с-ди-ГМФ во многих бактериальных клетках, в определении бактериальной "образу жизни" и, в частности, при контроле переходов между подвижными планктонных клеток и скального клеток, прикрепленных к поверхности или организованных в многоклеточных структурах биопленок 3,5. В общем, высокий клеточныйуровни С-ди-GMP связаны с образованием биопленок и sessility, в то время как низкие клеточном уровнях стимулировать перистальтику и синтез фактора вирулентности во многих бактериальных патогенов 3,5. Таким образом, более детальное знание выработок сигнализации с-ди-GMP может позволить стратегии для ингибирования образования биопленки и вирулентность в бактериальных патогенов. Это сложная задача , учитывая , что большинство бактериальных геномов кодируют многочисленные белки с GGDEF, EAL и / или HD-Gyp доменов (например , П. палочки имеет более 40 белков) и несколькими эффекторами 6,7.
Тем не менее, даже с этой сложностью, последние данные свидетельствуют о том , что стратегии манипулирующих сигналов C-ди-ГМФ , могут быть разработаны , чтобы либо предотвратить резистентные к антибиотикам инфекции развивается или сделать их восприимчивыми к иммунной системе или эффективного лечения совместным введением классических антибиотиков 2. В соответствии с этим, было экспериментально показано, что искусственное снижениевнутриклеточного с-ди-GMP в экстракорпорального -grown P. палочки приводит к уменьшению образования биопленки и повышенная восприимчивость к противомикробных, в то время как P. аеги -developed биопленок на силиконовых имплантатов, расположенных в брюшной полости мыши, могут быть рассредоточены подобным способом 8-11.
Здесь мы описываем высокую пропускную способность , флуоресценция на основе анализа репортера для скрининга малых молекул , которые потенциально могут модулировать клеточные уровни C-ди-GMP в P. палочки (рис 1). Анализ основан на измерении C-ди-ГМФ клеточном уровнях с использованием ранее разработанной GFP репортер, экспрессия которого транскрипционно связана с C-ди-ГМФ реагирующих CDRA промотора 12. Этот протокол описывает методику для экспрессии репортерной конструкции в P. штамм палочки интерес, соединение подготовка пластины, культуры прививка в 384-луночные планшеты, условия роста, как мыLL также подробную информацию в отношении сбора данных, управления и анализа (рисунок 1). В целом, этот протокол поможет исследователям определить потенциально новых соединений ориентации с-ди-ГМФ сигнализации бактерий, а также для использования в научных исследованиях целью понимания биологии P. палочки.
С целью улучшения лечения бактериальных инфекций, то ясно, что лучшее понимание бактериального поведения на молекулярном уровне регулирования требуется. Процедура, описанная здесь, будет полезно для микробиологов, биохимиков и врачей, которые хотят раскрыть маленькие молекулы, которые имеют потенциал, чтобы манипулировать или препятствовать клеточных концентраций с-ди-GMP у бактерий. Метод использует недавно разработанный GFP bioreporter для мониторинга клеточных уровней с-ди-ГМФ в P. 12 палочки. Это bioreporter было подтверждено и показано, главное, чтобы не влиять на рост штамма, используемого при культивировании в 5% LB в PBS. Использование экрана цельноклеточной , чтобы идентифицировать небольшие молекулы , которые изменяют уровни C-ди-ГМФ в естественных условиях позволяет преодолеть серьезные трудности обнаружения лекарств целевой основе с точки зрения молекулы проникновения через бактериальные мембраны, в частности , через те из грамотрицательных бактерий , Важно отметить, что тон анализ оказывается очень надежен, как надежный г 'значения стабильно выше 0,5 наблюдалось во всех экранах на сегодняшний день. Скрининг с использованием этого протокола позволит выявить ряд небольших молекул , которые ингибируют и / или способствуют внутриклеточные уровни с-ди-GMP в P. палочки. Кроме того, этот анализ также имеет потенциал для выявления бактерицидными или бактериостатическими соединений приводит к уменьшению в OD 600 считывания.
Хотя это и не обсуждается в разделе протокола, существует несколько важных соображений для подготовки эксперимента. Очень важно иметь в виду, что GFP bioreporter основано на плазмиде. Несмотря на то, плазмида репортера , как известно, очень стабильна в P. палочки, она может быть потеряна после непрерывного повторного посева, поэтому необходимость в использовании свеже плакированные штаммов от -80 ° C раствора в глицерине, и проверка выражения флуоресценции имеет решающее значение. Кроме того, очень ценно для поддержания одинаковых условий роста по всему экранупоскольку любые колебания в этих условиях может иметь эффект домино на экране. Это будет включать в себя убедившись, что средства массовой информации и антибиотики Premade в пакетном режиме и используется на протяжении всего экрана. Бактериальные культуры не растут ( на основе OD 600 для чтения макроизгибом) единообразно является общей проблемой для большинства высокопроизводительных экранов такого рода. Это может быть из-за краевых эффектов и отпуску неоднородную бактериальной культуры в планшеты. Для первых, убедившись, что газ проницаемым для уплотнения используется во время инкубации имеет жизненно важное значение. В то время как для последнего, грунтовки жидкости трубки обработчика с объемом культуры, по крайней мере в три раза рекомендуется мертвый объем самой трубки. Крайне важно, чтобы держать магнитной мешалки при минимальной скорости во время дозирования. В процессе мониторинга и хранения 384-луночные планшеты для последовательного роста в ходе экспериментов имеет первостепенное значение, ситуация, чтобы избежать является укладывание пластинок в процессе инкубации, поскольку это может привести к ООНхотел кислородные градиенты, приводящие к перекосу в структуре роста. Важно также, чтобы гарантировать, что транспортное средство ДМСО использовали в качестве отрицательного контроля не негативного влияния роста штамма интереса. Многие из этих проблем, связанных с ростом можно избежать, выполняя имитацию экран с бактериальным штаммом процентов до скрининга. Интерпретация данных также заслуживает внимания, учитывая, что результаты по ингибированию с-ди-ГМФ вычисляются по изменению в произвольных единицах интенсивности флуоресценции, которые должны быть исправлены для изменения плотности клеток. Имея это в виду различные математические формулы для оценки вывода данных из этих экспериментов, также следует учитывать. Например, соединение может выступать в качестве ингибитора с-ди-ГМФ, но на самом деле является ингибитором роста, или наоборот, что требует осторожную интерпретацию выявленных попаданий.
Есть несколько недостатков и ограничений, которые необходимо учитывать при разработке и выполнении этогос высокой пропускной способностью на основе клеток экран. Например, био-репортер функции на косвенной мерой клеточных уровней С-ди-ГМФ с использованием флуоресцентного зонда, чьи свойства обнаружения потенциально могут оказывать влияние малых молекул, используемых в экране. Тангенциальный проблема заключается в том, что анализ на основе клеток не дает никакой информации о механизме за изменений в уровне внутриклеточного с-ди-ГМФ. Поэтому важные наблюдения из экспериментов должны быть подтверждены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии подход, который считается метод "золотым стандартом" для измерения внутриклеточных колебаний с-ди-GMP бактерий. Кроме того, наша процедура может предоставить только информацию о поведении бактерий , выращенных в лабораторных условиях , как бактериальные клетки , выращенные в контексте хозяина (в естественных условиях) быстро изменять свою деятельность в связи с этой средой. Кроме того, процесс использования GFP bioreporter означает, что экран не принимаетво внимание физиологическое состояние бактериальных клеток. Тем не менее, этот протокол может быть адаптирован для микроскопического наблюдения отдельных скважин в процессе экрана.
Даже с этими соображениями и ограничениями, это с высокой пропускной способностью анализа по-прежнему надежный экран для небольших молекул, способных мешать внутриклеточных уровней с-ди-GMP. Поскольку многие виды микроорганизмов, включая многих бактериальных патогенов были изучены для того, чтобы охарактеризовать модуляции внутриклеточных уровней с-ди-GMP, наш протокол может быть применен к различным видам бактерий и расширили к изучению более сложных моделей многовидовые бактерий. Анализ может быть легко оптимизирована для других видов бактерий путем изменения использованы условия роста, или может быть выполнен с возможностью считывания других выходов с использованием различных bioreporters. Различные периоды инкубации могут быть применены в зависимости от фазы роста интереса. Тем не менее, при расширении или увеличении сквозной говоря, это importan т иметь в виду, что бактерии будут по-прежнему будет расти в процессе подготовки пластин и измерений считыванием. Поэтому рекомендуется экранировать максимум 15 пластин в то время, используя этот протокол. Кроме того, с помощью пластин с более чем 384 скважин не может позволить равномерный рост, что требует дальнейшей оптимизации. При сворачивают количество пластин, может быть более целесообразным, чтобы вручную прививают с помощью электронного пипетку вместо робота обработки жидкости. Понятно, что этот протокол может быть использован для исследования малых молекул, которые диспергируют биопленок, при условии, что анти-биопленки соединений вмешиваться сигнализации с-ди-ГМФ. Протокол также может быть переработана, чтобы понять различные аспекты бактериальной физиологии. Принимая во внимание, что передача сигналов с-ди-GMP преобладает в большинстве бактерий, изучая физиологиях этих организмов с помощью этого протокола мы можем идентифицировать различные химические стимулы, чтобы определить, требуется ли их рабочие механизмы сигнализации с-ди-GMP.
_content "> Таким образом, надежность и универсальность подхода, представленного в данном протоколе будет способствовать идентификации химических модуляторов передачи сигналов с-ди-ГМФ во многих биологических системах.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 |