מאמר זה מתאר את assay התפוקה גבוהה כי כבר נקבע בהצלחה למסך ספריות גדולות של מולקולות קטנות עבור היכולת הפוטנציאלית שלהם לתפעל רמות סלולריות של di-GMP המחזורי Pseudomonas aeruginosa, מתן כלי רב עצמה חדש לגילוי סמים אנטיבקטריאלי ובדיקה מתחמת.
עמיד חיידקים לאנטיביוטיקה מסורתית העלה ניסיונות מחקר לזהות מטרות תרופה חדשות במסלולים רגולטוריים שהתגלו לאחרונה. מערכות רגולטוריות לנצל di-GMP המחזורית התאית (c-di-GMP) כשליח שני הן משורה אחד כזה של היעד. ג-di-GMP הוא מולקולת איתות למצוא כמעט כל החיידקים שפועל להסדיר פעילות ענפה של תהליכים כולל עמידות לאנטיביוטיקה, היווצרות ביופילם ו ארסיות. ההבנה כיצד c-di-GMP איתות היבטים שולטים של פיתוח biofilm עמיד לאנטיביוטיקה הציעה גישות לפיה שינוי הריכוזים הסלולר של נוקלאוטיד או שיבוש של מסלולי איתות אלו עשויים להוביל להיווצרות ביופילם מופחתת או רגישות מוגברת של biofilms לאנטיביוטיקה. אנו מתארים פרוטוקול bioreporter תפוקה גבוהה פשוט, המבוסס על חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP), שביטויים הוא תחת השליטה של אמרגן תגובת c-di-GMP cdrA, להקרין במהירות עבור מולקולות קטנות עם פוטנציאל לווסת רמות הסלולר ג-di-GMP ב Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). פרוטוקול זה פשוט יכול להקרין כלפי מעלה של 3,500 תרכובות תוך 48 שעות ויש לו את היכולת להיות מותאם מיקרואורגניזמים רבים.
ההתפתחות המהירה של עמידות חיידקים לאנטיביוטיקה נגד חשיבות קלינית היא אחת הדאגות הגדולות כיום בפני אנשי מקצוע בתחום בריאות ברחבי העולם. כשל זה של אנטיביוטיקה מסורתית העלה חיפושים חדשים לצורך עניין כימי שיכול להפריע לתהליכי חיידקים מעורבי התקדמות הארסית ומחלות 1. אחת מערכה רגולציה כך מנצלת את השליח שני תאיים מחזורי di-GMP (c-di-GMP) הפכה לאחרונה יעד עם תוקף הבטיח 2-4. זה כבר נקבע כי מולקולת איתות השליח השנייה הגלובלית הזה מסדיר פונקציות רבות כולל עמידות לאנטיביוטיקה, הדבקה, היווצרות ביופילם ומחלות 2-4.
הוא הבין עכשיו ברמה התאית של c-di-GMP של תא החיידק נשלטת בסינתזה והשפלה לפיה שתי מולקולות של GTP משמשים לסנתז ג-di-GMP ידי cyclases diguanylate תחום המכיל GGDEF (DGCs) ש"שereas השפלה c-di-GMP מזורזת על ידי phosphodiesterases (PDEs) שיש בין כאדם EAL או תחום HD-גיפ (הנסקרת ב (3, 5)). חלבונים המכילים תחומים אלה בדרך כלל מכילים תחומי איתות אחרים, דבר המצביעים על כך פעילותם מחזור ג-di-GMP מוסדרת במישרין או בעקיפין על ידי רמזים סביבתיים או הסלולר 3,5. כתוצאה מכך, ג-di-GMP איתות פונקציות לקשר את החישה של רמזים סביבתיים מגוונים שינויי פנוטיפ חיידקים. ג-di-GMP מפעילה השפעה הרגולציה שלה בחיידקים ברמה של שעתוק, שלאחר שעתוק-תרגום פוסט ידי מנגנונים שונים 4.
השפעה גדולה של c-di-GMP בתאי חיידקים רבים היא בקביעת חיידקים 'אורח חיים', ובמיוחד, בבקרה של מעברים בין תאי planktonic ניע ותאיים נייחים המחוברים משטחים או מאורגנים במבנים הרבים-תאיים של biofilms 3,5. באופן כללי, הסלולר גבוההרמות של C-di-GMP המשויכים היווצרות ביופילם ו sessility, בעוד שרמות הסלולר נמוכות לעודד תנועתיות וסינתזת גורם ארסי חיידקים פתוגנים רב 3,5. לפיכך, ידע מפורט יותר של אופן הפעולה של איתות ג-di-GMP יכל להרשות לעצמם אסטרטגיות עבור עיכוב של היווצרות ביופילם ו ארסי חיידקים פתוגנים. זוהי משימה מרתיעה בהתחשב בכך שרוב הגנום החיידקים לקודד חלבונים רבים עם GGDEF, EAL ו / או תחומי HD-גיפ (למשל פ aeruginosa למעלה מ -40 חלבונים) ומפעילים מרובים 6,7.
עם זאת, גם עם המורכבות הזו, הראיות האחרונות עולה כי אסטרטגיות מניפולציה ג-di-GMP איתות ניתן פותחה כדי גם למנוע זיהומים עמידים לאנטיביוטיקה פיתוח או להפוך אותם רגישים במערכת החיסונית או טיפול יעיל על ידי שיתוף מתן אנטיביוטיקה קלאסי 2. בקנה אחד עם זה, זה כבר בניסוי הראו כי ירידה מלאכותיתc-di-GMP תאיים במבחנה -grown פ aeruginosa מוביל ירד היווצרות ביופילם והגדילה את הרגישות antimicrobials, תוך פ biofilms -developed aeruginosa על שתלי סיליקון, ממוקם חלל הצפק של עכברים, ניתן לפזר באופן דומה 8-11.
כאן אנו מתארים assay כתב תפוקה גבוהה, קרינה המבוססת להקרין מולקולות קטנות פוטנציאליים שיכול לווסת את רמות הסלולר ג-di-GMP ב פ aeruginosa (איור 1). Assay הוא מבוסס על מדידת ג-di-GMP רמות הסלולר באמצעות כתב ה- GFP שפותח בעבר שביטויים קשור תעתיק האמרגן ג-di-GMP-תגובת cdrA 12. פרוטוקול זה מתאר את המתודולוגיה ביטוי לבנות כתב ב פ זן של עניין aeruginosa, הכנת צלחת מתחם, חיסון התרבות לתוך 384 גם צלחות, תנאי גידול, כפי שאנוLL כפי לפרטים בדבר איסוף נתונים, ניהול וניתוח (איור 1). בסך הכל, פרוטוקול זה יסייע לחוקרים פוטנציאל לזהות תרכובות חדשות מיקוד ג-di-GMP איתות חיידקים, לשימוש במחקר מכוון להבנת הביולוגיה של פ aeruginosa.
על מנת לשפר את הטיפול של זיהומים חיידקיים, ברור כי הבנה טובה יותר של התנהגות חיידקים ברמה הרגולטורית המולקולרית נדרשה. ההליך המתואר כאן יהיה מועיל עבור מיקרוביולוגים, ביוכימאים וקלינאים שרוצים לחשוף מולקולות קטנות כי יש פוטנציאל להשפיע או להפריע ריכוזי הסלולר של c-di-GMP בחיידקים. השיטה משתמשת bioreporter GFP שפותח לאחרונה לעקוב אחר רמות סלולריות של c-di-GMP ב פ aeruginosa 12. bioreporter זה יאומת והראה חשוב לא להשפיע על הצמיחה של הזן משמש כאשר בתרבית 5% LB ב PBS. שימוש מסך כל תא לזהות מולקולות קטנות שמשנה רמות ג-di-GMP in vivo מתגבר על הקשיים הגדולים של גילוי תרופות מבוסס יעד מבחינת חדירת מולקולות דרך הממברנות חיידקי, במיוחד באמצעות אלה של חיידקים גראם שליליים . חשוב לציין, לאהוא assay מופיע מאוד חזק כערך z 'חזק באופן עקבי מעל 0.5 נצפה בכל המסכים עד כה. הקרנת שימוש בפרוטוקול זה יגלה מספר מולקולות קטנות המעכבות ו / או לקדם רמות ג-di-GMP תאיים P. aeruginosa. יתר על כן, assay זה גם יש פוטנציאל לזהות bactericidal או תרכובות בקטריו וכתוצאה מכך לירידה-אאוט לקרוא OD 600.
למרות שלא נדונו בסעיף הפרוטוקול, ישנם מספר שיקולים חשובים לעריכת הניסוי. זה חיוני לזכור כי bioreporter GFP מבוסס על פלסמיד. למרות פלסמיד הכתב ידוע להיות יציב מאוד פ aeruginosa, זה יכול ללכת לאיבוד אחרי מחדש ציפוי רציף, ומכאן הצורך להשתמש זנים מצופים טרי מתוך -80 ° מניות גליצרול C, ובדיקת ביטוי קרינה היא קריטית. זה גם מאוד יקר כדי לשמור על תנאי צמיחה אחידים על פני המסךשכן תנודות כל בתנאים האמורים עלולה להיות תוצאות-לוואי על המסך. זה יכלול ביצוע מסוים כי תקשורת ואנטיביוטיקה הן תערובת של עוגיות נצווה בשימוש לאורך הקורס של המסך. תרביות חיידקים לא גדל (מבוסס על OD 600 לקריאת פסקים) באופן אחיד הוא בעיה נפוצה עבור מסכי תפוקה הגבוהה ביותר מסוג זה. זה יכול להיות בגלל קצה אפקטים או מחלק תרבות חיידקים הלא הומוגנית לתוך הצלחות. לקבלת לשעבר, מוודא חותם גז חדיר משמש במהלך הדגירה הוא חיוני. בעוד באפשרות השנייה, תחול צינורות מטפל הנוזליים עם נפח של התרבות לפחות שלוש פעמים את הנפח המת של הצינור עצמו מומלץ. זה חיוני כדי לשמור על בוחש מגנטי במהירות מינימלית במהלך מחלק. תוך מעקב ואחסון של 384 גם הצלחות לצמיחה עקבית במהלך הניסויים הוא בעל חשיבות עליונה, מצב שיש להימנע ממנו הוא הערמה של צלחות במהלך הדגירה כפי שהוא יכול לגרום unרציתי הדרגתי חמצן מוביל להטות את דפוס הצמיחה. כמו כן, חשוב להבטיח כי רכב DMSO משמש כביקורת שלילית אינו משפיע צמיחה שלילית של הזן של עניין. רבים של בעיות אלה הקשורים צמיחה יכולים להימנע על ידי ביצוע מסך מדומה עם זן החיידקים של העניין לפני ההקרנה. פרשנות נתונים גם שיקול לגופו בהתחשב בעובדה תוצאות עיכוב c-di-GMP מחושבים על ידי השינוי ביחידות עוצמת הקרינה שרירותית כי יש לתקן לשינוי צפיפות התאים. עם זאת לזכור נוסחאות מתמטיות שונות על מנת להעריך את התפוקה נתונים מניסויים אלה צריך להיות גם נחשב. לדוגמא, תרכובת יכולה להופיע כמעכב ג-di-GMP אבל בעצם להיות מעכב צמיחה או להיפך, שמצריכה פרשנות זהירה של נפילות.
ישנם מספר חסרונות ומגבלות כי יש לקחת בחשבון במהלך הפיתוח והביצוע של זהתפוקה גבוהה מבוסס תאי מסך. לדוגמה, פונקציות-הכתב ביו על אמצעי עקיף של הסלולר רמות ג-di-GMP באמצעות בדיקה ניאון שתכונותיו זיהוי עלול להיות מושפע מולקולות קטנות ששימשו מסך. סוגיה משיקה היא העובדה כי assay מבוסס התאים נותן שום מידע לגבי המנגנון עומד מאחורי שינויים ברמות-di-GMP ג התאי. לכן, תצפיות חשובות מניסויים יש לאשר באמצעות גישת ספקטרומטריית כרומטוגרפיה-מסה נוזלית בעל ביצועים גבוהים, אשר נחשבת השיטה "-תקן זהב" למדידת תנודות תאיות ג-di-GMP בחיידקים. יתר על כן, ההליך שלנו יכול לספק מידע רק לגבי ההתנהגות של חיידקים הגדלים במבחנה, כמו תאי חיידקיים גדלו בהקשר של המארח (in vivo) מהר לשנות את פעילותם בשל בסביבה זו. יתר על כן, התהליך של שימוש GFP bioreporter אומר המסך אינו לוקחבחשבון את המצב הפיזיולוגי של תאים חיידקיים. עם זאת, הפרוטוקול יכול להיות מותאם ניטור מיקרוסקופי של בארות בודדות במהלך המסך.
אפילו עם שיקולים אלה ומגבלות, assay תפוקה גבוהה זה עדיין מסך חזק מולקולות קטנות של מסוגלות להפריע רמות ג-di-GMP תאיים. מאז מינים של חיידקים רבים, כוללים חיידקים פתוגנים רבים נחקרו על מנת לאפיין את האפנון של רמות ג-di-GMP התאיים, הפרוטוקול שלנו יכול להיות מיושם על מיני חיידקי מגוונת התרחב המחקר של מודלי חיידקי multispecies מורכבים יותר. Assay יכול להיות מותאם בקלות עבור מיני חיידקים אחרים על ידי שינוי תנאי הגידול בשימוש, או יכולים להיות מותאמים לקרוא פלטים אחרים באמצעות bioreporters השונה. פעמי דגירה שונות ניתן ליישם תלוי שלב הצמיחה של עניין. עם זאת, כאשר בגמלון או באמצעות הגדלה-פשוט, היא importan t לזכור כי החיידק עדיין יהיה גדל במהלך הכנות צלחת ומדידות לקריאה החוצה. לכן מומלץ להקרין לכל היותר 15 צלחות בכל פעם, באמצעות פרוטוקול זה. יתר על כן, באמצעות צלחות עם יותר מ 384 בארות לא יכול לאפשר צמיחה אחידה, מחייב אופטימיזציה נוספת. כאשר קנה המידה את מספר צלחות, זה עשוי להיות מתאים יותר כדי לחסן באופן ידני באמצעות פיפטה אלקטרונית במקום רובוט טיפול נוזלי. ברור כי פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לחקור מולקולות קטנות לפזר biofilms, בהתחשב בכך תרכובות אנטי biofilm להפריע איתות ג-di-GMP. הפרוטוקול יכול גם להיות ושפץ להבין היבטים שונים של פיזיולוגיה חיידקי. בהתחשב האיתות כי ג-di-GMP נפוצה ברוב החיידקים, על ידי לימוד physiologies של אורגניזמים אלה באמצעות פרוטוקול זה אנו יכולים לזהות גירויים כימיים שונים כדי לקבוע אם או לא מנגנוני המפעילים שלהם דורשים איתות ג-di-GMP.
_content "> לסיכום, את האיתנות צדדיות של הגישה המוצגת בפרוטוקול זה יסייע בזיהוי מאפננים כימיים של c-di-GMP איתות במערכות ביולוגיות רבות.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 |