本文介绍了已经成功地建立筛选小分子的大文库其操纵在绿脓杆菌环状二-GMP的细胞水平的潜在能力,提供了抗菌药物发现和化合物测试一个新的强有力的工具的高通量测定法。
传统的细菌耐药,带动研究试图在最近发现的监管途径,以确定新的药物靶点。 ,利用细胞内的环二GMP(三二 – GMP)作为第二信使调节系统是其中一类的目标。 C-二GMP是一个行为规范广泛的范围内处理,包括抗生素耐药性,生物膜的形成和毒力的发现几乎所有的细菌信号分子。的C-二GMP如何信号抗生素有抗药性的生物膜发展的控制方面的认识已经提出的方法由此核苷酸或这些信号通路的破坏的细胞浓度的改变可能导致减少生物膜形成或生物膜对抗生素的敏感性增加。我们描述一个简单的高通量bioreporter协议,基于绿色荧光蛋白(GFP),其表达的c二叔GMP的反应性启动子CDRA的控制下,快速筛选小分子与调节在铜绿假单胞菌 ( 绿脓杆菌 )的c-二叔GMP细胞水平的潜力。这个简单的协议可在48小时内向上的3500化合物筛选并具有适于多种微生物的能力。
细菌耐药性的快速发展,对临床上重要的抗生素是目前全球面临的卫生专业人员关心的主要问题之一。传统的抗生素此问题已推动新的搜索可与参与毒力和疾病进展1细菌干扰的过程的化学物质。一个这样的监管系统,利用细胞内第二信使循环二GMP(C-二GMP)最近已成为有希望的有效性2-4的目标。已确定,这种全球第二信使信号分子调控许多功能,包括抗生素抗性,附着力,生物膜形成和疾病2-4。
它现在理解的c-二叔GMP的细菌细胞中的细胞水平由合成和降解,由此GTP两个分子用于通过GGDEF结构域的diguanylate环化酶(DGCS)WH合成的c-二叔GMP的控制ereas的c-二叔GMP降解是由具有要么是EAL或HD-GYP域磷酸二酯酶(PDE)催化(在(3综述,5))。含有这些结构域的蛋白通常包含其它信令域,这表明它们在C二叔GMP周转活性通过3,5-环境或蜂窝线索直接或间接地调节。因此,C-二GMP信令功能,以不同的环境信号的检测细菌的表型链接到修改。 C-二GMP发挥在细菌在转录,转录后和翻译后的通过各种机制4水平的调节作用。
的c-二叔GMP在许多细菌细胞的一个主要影响是在细菌“生活方式”,特别的测定,在附着于表面或组织在生物膜的多细胞结构的能动浮游细胞和柄细胞之间的转换的控制3,5。一般来说,高的蜂窝C-二GMP的水平与生物膜的形成和sessility有关,而低细胞水平上鼓励许多细菌病原体3,5蠕动和毒力因子的合成。因此,C-二叔GMP信令的运作的更详细的知识可以得到的策略用于抑制生物膜形成和毒力在细菌病原体。这是给一个艰巨的任务,大多数细菌基因组编码与GGDEF,EAL和/或HD-GYP域(例如绿脓杆菌有超过40的蛋白质)和多效应6,7大量的蛋白质。
然而,即使有这种复杂性,最近的证据表明,策略操作的c-二叔GMP的信令可以被开发要么防止抗生素耐药菌感染显影或使它们易于被经典抗生素2共同施用的免疫系统或有效的治疗。在与此线,已经实验证明,人工减少细胞内的c-二叔GMP在体外 -grown P的铜绿假单胞菌导致减少生物膜的形成和易感性增加抗菌剂,而P.假单胞菌 -developed上硅胶植入生物膜,位于小鼠的腹膜腔中,可以用类似的方式8-11进行分散。
这里,我们描述了高通量,基于荧光的报告基因检测来筛选小分子可以潜在调节在巴斯德蜂窝的c-二叔GMP水平假单胞菌 ( 图1)。该测定法是基于测量的c-二叔GMP使用先前开发的GFP报告其表达转录链接到c二叔GMP响应CDRA子12细胞水平。这个协议描述的方法在P的报道构建的表达感兴趣假单胞菌菌株,化合物板制备,培养接种到384孔板,生长条件,如我们LL作为关于数据收集,管理和分析( 图1)的信息。总体而言,该协议将有助于研究人员能够识别潜在的新化合物针对C-二GMP在细菌信号,并用于研究,旨在了解体育的生物学铜绿假单胞菌 。
为了改善细菌感染的治疗,很显然,在分子调控水平更好地了解细菌行为是必需的。此处描述的过程将是谁想要发现有操纵或细菌C-二GMP的细胞浓度干扰的可能性小分子微生物学家,生物化学家和临床医生有利。该方法利用一个最近开发的GFP bioreporter并监控在体育的c-二叔GMP细胞水平铜绿假单胞菌 12。此bioreporter已被验证,并且示出重要的不影响使用的培养时,在5%的LB在PBS菌株的生长。使用全细胞屏幕来识别小分子改变体内的c-二叔GMP水平通过细菌膜克服了基于目标的药物发现的主要困难在分子渗透方面,特别是通过那些革兰氏阴性细菌的。更重要的,T他分析显示为持续高于0.5在所有屏幕迄今观察到的一个强大的Z'值非常稳健。使用该协议,就会发现一个数字,抑制和/或促进细胞内P. C-二GMP水平的小分子筛选铜绿假单胞菌 。此外,该测定中也具有识别杀菌或导致在OD 600读出的降低抑菌化合物的潜力。
虽然在协议部分没有讨论,存在用于实验的制备几个重要的考虑因素。至关重要的是,请注意该GFP bioreporter是基于质粒来承担。虽然报道质粒被称为是在巴斯德非常稳定假单胞菌 ,它可以连续重新铺板后丢失,因此需要用新鲜镀菌株从-80℃甘油库存,以及检查荧光表达是至关重要的。这也是非常有价值的整个屏幕保持均匀的生长条件因为在这些条件的任何波动有可能在屏幕上的连锁效应。这将包括使某些该介质和抗生素是在批量预制和整个屏幕的过程中使用。细菌培养没有增长(基于OD 600读数)以统一的方式对这种性质的大多数高通量筛选的共同课题。这可能是由于边缘效应或分配不均匀的细菌培养到板中。对于前者,确保透气密封孵育过程中使用是至关重要的。而对于后者来说,吸用培养物的体积的液体处理器管道至少三次建议的配管本身的死体积。它是保持在最小速度磁力搅拌器分配期间的关键。同时监测和用于在实验过程中持续增长的384孔板的存储是极为重要的,这种情况以避免是板的孵育期间的堆叠,因为它可引起非想要氧气梯度导致经济增长方式的倾斜。同样重要的是,以确保用作阴性对照的DMSO车辆没有负面感兴趣的菌株的生长影响。许多与生长相关的这些问题可以通过用之前筛选感兴趣的细菌菌株进行模拟屏幕来避免。数据解释也值得考虑因为C-二GMP抑制的结果是由必须在细胞密度的变化进行修正任意荧光强度单位变化来计算。考虑到这一点不同的数学公式来评估从这些实验的数据输出也应考虑。例如,化合物可以显示为一个C二叔GMP的抑制剂,但实际上可以是一个生长抑制剂,或反之亦然,需要鉴定的命中谨慎解释。
有几个缺点和限制了必须的这种发展和表现过程中被认为是高通量细胞为基础的屏幕。例如,使用荧光探针,其检测性能可能潜在地通过在屏幕中使用的小分子的影响对细胞的c-二叔GMP水平的间接测量生物记者功能。切向的问题是,在基于细胞的测定给出关于在细胞内的c-二叔GMP水平的变化的机理没有信息的事实。因此,从实验重要的观察,必须使用高性能液相色谱 – 质谱方法,它被认为是在细菌中测量细胞内的c-二叔GMP波动的“金标准”的方法来确认。此外,我们的程序只能提供关于在体外生长的细菌的行为的信息,如细 菌细胞在宿主的上下文生长(体内 ) 快速修改他们的活动,由于这种环境。此外,使用GFP的bioreporter的处理装置的屏幕不采取考虑到细菌细胞的生理状态。然而,该协议可以在屏幕的过程中适应单个孔的微观监控。
即使有这些考虑和限制,这种高通量检测仍然是能够与细胞内的c-二GMP水平干扰的小分子一个强大的屏幕。由于许多微生物物种,包括许多细菌病原体已经以表征细胞内的c-二叔GMP级别的调制进行了研究,我们的协议可以被应用到不同的细菌种类,并扩大到更复杂的多物种细菌模型的研究。该测定可用于其它细菌种类所使用的生长条件,或者可以适于通过使用不同bioreporters读取其它输出变化容易最优化。不同的孵育时间可以根据所关注的生长阶段施加。但是,扩大或通放增加时,它是importan吨至牢记,细菌还是会在板筹备和读出测量越来越大。因此,建议在使用这种协议的时间为最多15板的屏幕。此外,使用板与超过384孔可能不允许均匀生长,需要进一步优化。当按比例缩小板的数量,这可能是更合适的使用电子移液器代替液体处理机器人手动接种。很明显,这个协议可用于调查该分散生物膜的小分子,因为抗生物化合物干扰用c-二叔GMP的信令。该协议还可以重建,了解细菌生理的各个方面。定将c二叔GMP的信令是在大多数细菌流行,通过使用这个协议中,我们可以识别不同的化学刺激,以确定其工作机制是否需要的c-二叔GMP信令研究这些生物体的生理机能。
_content“>总之,该方法在这个协议提供的鲁棒性和通用性将有助于的c二叔GMP在许多生物系统信令化学调节剂的鉴定。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 |