منهجيات لدراسة<em> B. الرقيقة</em> الأغشية الحيوية نموذجا للتميز الصغيرة جزيء بيوفيلم المانعون
Summary
This study presents the development of reproducible methodologies to study biofilm inhibitors and their effects on Bacillus subtilis multicellularity.
Abstract
This work assesses different methodologies to study the impact of small molecule biofilm inhibitors, such as D-amino acids, on the development and resilience of Bacillus subtilis biofilms. First, methods are presented that select for small molecule inhibitors with biofilm-specific targets in order to separate the effect of the small molecule inhibitors on planktonic growth from their effect on biofilm formation. Next, we focus on how inoculation conditions affect the sensitivity of multicellular, floating B. subtilis cultures to small molecule inhibitors. The results suggest that discrepancies in the reported effects of such inhibitors such as D-amino acids are due to inconsistent pre-culture conditions. Furthermore, a recently developed protocol is described for evaluating the contribution of small molecule treatments towards biofilm resistance to antibacterial substances. Lastly, scanning electron microscopy (SEM) techniques are presented to analyze the three-dimensional spatial arrangement of cells and their surrounding extracellular matrix in a B. subtilis biofilm. SEM facilitates insight into the three-dimensional biofilm architecture and the matrix texture. A combination of the methods described here can greatly assist the study of biofilm development in the presence and absence of biofilm inhibitors, and shed light on the mechanism of action of these inhibitors.
Introduction
المجتمعات البكتيرية متعددة الخلايا تلعب أدوارا هامة في البيئات الطبيعية والبشرية، ويمكن أن تكون مفيدة أو ضارة للغاية. ومن المعروف أن هذه المستعمرات متعددة الخلايا كما الأغشية الحيوية، حيث يتم تضمين الخلايا الفردية في المواد البوليمرية خارج الخلية الذات المنتجة (EPS) المصفوفة. العائد على السهم تلتزم بقوة الخلايا على سطح أنها استعمار. أنها بمثابة درع ضد القوات الميكانيكية والكيميائية وإنشاء اتصال وثيق بين الخلايا المجاورة، وتسهيل الاتصالات الخلوية 1. يمكن مشاهدة بيوفيلم كمجتمع متباينة، حيث تستخدم الخلايا درجة عالية من التنظيم، منسقة عمليات لتنسيق أنشطتها داخل المجتمع، وكذلك عبر الأنواع 2-5. وكثيرا ما يرتبط الانتقال من العوالق، ووضع حرة المعيشة للنمو إلى حالة بيوفيلم مع العمليات التنموية. وخير مثال هو بكتيريا التربة العصوية الرقيقة موجبة الجرام، وبالتالي على undomeيخدم سلالة sticated كما كائن نموذج قوي لدراسة مراحل النمو مما يؤدي إلى تشكيل بيوفيلم. في هذه البكتيريا وخلايا متحركة تنظيم أنفسهم في هياكل متعددة الخلايا واضح لتنفيذ مهام متخصصة 4. مجموعة واحدة من الخلايا، المنتجين مصفوفة تفرز exopolysaccharides 6، بروتين اميلويد الطاسه 7،8، والبروتين للا مائية سطح BslA 9،10. وكلها مشاركة في الجمعية العامة للEPS 11-13.
وبالنظر إلى وفرة من الأغشية الحيوية في المنافذ الطبيعية والبشرية والضرر القاتل المفترض أنها يمكن أن تسبب، هناك حاجة ملحة لايجاد سبل لمنع تكونها. يمكن مثبطات جزيء صغير مساعدة في اكتشاف مسارات تنظيمية جديدة، والانزيمات والبروتينات الهيكلية تشارك في تشكيل بيوفيلم، وبالتالي تعزيز الرؤى في العمليات المعقدة التجمع مجتمع متعدد الخلايا. كما B. الرقيقة هو نموذج المدروس لالحيويتشكيل الفيلم 14،15، ويمكن استخدامه لتقييم آثار مختلف مثبطات بيوفيلم. تتناول هذه الدراسة أربعة أساليب الأساسية التي هي مفتاح لتقييم استجابة من الأغشية الحيوية لمثبطات جزيء صغير. أولا، للتأكد من أن هذه المثبطات لديها هدف محدد بيوفيلم، والفصل بين تأثير على نمو العوالق من التأثير على تشكيل بيوفيلم أمر بالغ الأهمية. معظم وكلاء المضادة للبكتيريا تستهدف الخلايا في مرحلة النمو العوالق، ولكن الجزيئات التي تستهدف حياة بيوفيلم نادرة. بالإضافة إلى ذلك، كما الجزيئات التي لا تؤثر على نمو العوالق ليست سامة، يمكن أن تقلل من الضغط الانتقائي لصالح المسوخ المقاومة للمضادات الحيوية 16. على سبيل المثال، عندما يتم التعامل مع الأغشية الحيوية مع الأحماض الأمينية-D أو بعض الجزيئات الأخرى خلية التدخل الجدار، إما بالانزعاج هم أو تفكيكها، ولكن هذه المثبطات فقط تؤثر أقل ما يقال 12،17 نمو العوالق. في المقابل، العديد من المضادات الحيوية يضعف بشكل كبير نمو العوالق، مع لإيتل أو أي تأثير على تشكيل بيوفيلم 17.
ثانيا، وضع إطار تجريبي ثابت وقوي لدراسة تأثير الجزيئات الصغيرة أمر بالغ الأهمية. لاحظنا أن نطاق تركيز نشط من مثبطات جزيء صغير حساس للشروط مسبقة الثقافة والإعداد التجريبية المستخدمة لدراسة تأثير هذه المثبطات جزيء صغير. تقارير مختلفة، لا سيما أولئك الذين يدرسون B. الرقيقة، وكشف الاختلافات في مدى التركيز الذي الأحماض الأمينية-D تمنع تشكيل pellicles – العائمة الأغشية الحيوية البكتيرية 12،17-19. وتشير النتائج المعروضة هنا أن العوامل التالية تمثل اختلافات في مدى تركيز نشاط: من شروط مسبقة ثقافة (لوغاريتمي 12،17 مقابل مرحلة نمو 20 في وقت متأخر من ثابتة)، ومتوسط النمو المستخدمة في حالة ما قبل الثقافة (الأغنياء، غير معروف [لوريا مرق، LB] مقابل يعرف [الغلوتامات أحادية الصوديوم-glycerol، MSgg])، ونسبة التلقيح وخصوصا إزالة المتوسطة قبل الثقافة قبل التلقيح. وأظهرت درجة حرارة النمو جليدة ثابت دورا أقل أهمية في نطاق نشاط صغير جزيء المانع D-ليسين، وهو حمض تمثيلي-D الأمينية المستخدمة في هذه الدراسة.
وأخيرا، مرة واحدة يتم التعامل مع الأغشية الحيوية مع مثبطات بيوفيلم محددة، يطلب من وسائل قوية ومفيدة لوصف آثار هذه المثبطات على اللياقة البدنية بيوفيلم. هنا، يتم وصف طريقتين لوصف مستقل تأثير مثبطات جزيء صغير بالتفصيل: (1) تأثير على الخلايا وحيدة داخل مستعمرة بيوفيلم ومقاومتها للمضادات الحيوية. الخلايا في الأغشية الحيوية تكون في العادة أكثر مقاومة للمضادات الحيوية بالمقارنة مع البكتيريا التي تعيش خالية من 21-23. رغم أن هذه الظاهرة هي سياقاتها، وغالبا ما تعتبر قدرة EPS للحد من تغلغل المضادات الحيوية كتفسير جذابة 24 </suص>. هذه الطريقة يقيم بقاء خلايا بيوفيلم محددة سلفا بعد التعرض للمواد مضادة للجراثيم. (2) أثر على بنية مستعمرة بيوفيلم، من كبيرة إلى صغيرة الحجم. تتميز المستعمرات بيوفيلم بواسطة هيكلها ثلاثي الأبعاد وجود EPS. باستخدام المجهر الإلكتروني، والتغييرات في شكل الخلية، بنية مستعمرة بيوفيلم والهندسة المعمارية وفرة من EPS يمكن تصور من كبير (ملم) على نطاق صغير (ميكرون).
Protocol
Representative Results
Discussion
العصوية الرقيقة أشكال قوية ومنظم للغاية الأغشية الحيوية في كل من السائل (pellicles) وعلى وسط صلب (المستعمرات). وبالتالي، فإنه بمثابة كائن نموذجا مثاليا لوصف طريقة عمل مثبطات بيوفيلم محددة. على وسائل الاعلام الصلبة، الخلايا تشكل هياكل متعددة الخلايا مع السمات المميز?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Electron microscope imaging was conducted at the Electron Microscopy Unit of the Weizmann Institute of Science, supported in part by the Irving and Cherna Moskowitz Center for Nano and Bio-Nano Imaging. This research was also supported by the ISF I-CORE grant 152/1, Mr. and Mrs. Dan Kane, Ms. Lois Rosen, by a Yeda-Sela research grant, by the Larson Charitable Foundation, by Ruth and Herman Albert Scholars Program for New Scientists, by the Ilse Katz Institute for Materials Sciences and Magnetic Resonance Research grant, by the Ministry of Health grant for alternative research methods, and by the France-Israel Cooperation – Maimonide-Israel Research Program. IKG is a recipient of the Rowland and Sylvia Career Development Chair.
Materials
| Luria Broth, Lennox | Difco | 240230 | |
| Bacto Agar | Difco | 214010 | |
| potassium phosphate monobasic | Sigma, 136.09 g/mol | P0662-500G | |
| potassium phosphate dibasic | Fisher Scientific, 174.18 g/mol | BP363-1 | |
| 3-(N-morpholino)propanesulfonic acid | Fisher Scientific, 209.27 g/mol | BP308-500 | |
| magnesium chloride hexahydrate | Merck, 203.30 g/mol | 1.05833.0250 | |
| calcium chloride anhydrous | J.T. Baker, 110.98 g/mol | 1311-01 | |
| manganese(II) chloride tetrahydrate | Sigma, 197.91 g/mol | 31422-250G-R | |
| iron(III) chloride hexahydrate | Sigma, 270.30 g/mo) | F2877-500G | |
| zinc chloride anhydrous | Acros Organics, 136.29 g/mol | 424592500 | |
| thiamine hydrochloride | Sigma, 337.27 g/mol | T1270-100G | |
| L-tryptophan | Fisher Scientific, 204.1 g/mol | BP395-100 | |
| L-phenylalanine | Sigma, 165.19 g/mol | P5482-100G | |
| L-threonine | Sigma, 119.12 g/mol | T8625-100G | |
| glycerol anhydrous | Bio-Lab Itd | 712022300 | |
| L-glutamic acid monosodium salts hydrate | Sigma, 169.11 g/mol | G1626-1KG | |
| D-leucine | Sigma, 169.11 g/mol | 855448-10G | |
| ethanol anhydrous | Gadot | 830000054 | |
| razor blade | Eddison | NA | |
| circular cellulose filter papers | Whatman, 90 mm | 1001-090 | |
| glutaraldehyde | EMS (Electron Micoscopy Science), 25% in water | 16220 | |
| paraformaldehyde | EMS, 16% in water | 15710 | |
| sodium cacodylate | Merck, 214.05 g/mol | 8.2067 | |
| calcium chloride 2-hydrate | Merck, 147.02 g/mol | 1172113 | |
| stub-aluminium mount | EMS, sloted head | 75230 | |
| carbon adhesive tape | EMS | 77825-12 | |
| Shaker 37°C | New Brunswick Scientific Innowa42 | NA | |
| Centrifuge | Eppendorf table top centrifuge 5424 | NA | |
| Digital Sonifier, Model 250, used with Double Step Microtip | Branson | NA | |
| Incubator 30 °C | Binder | NA | |
| Incubator 23 °C | Binder | NA | |
| Filter System, 500 ml, polystyrene | Cornig Incorporated | NA | |
| Rotary Shaker – Orbitron Rotatory II | Boekel | NA | |
| S150 Sputter Coater | Edwards | NA | |
| CPD 030 Critical Point Dryer | BAL-TEC | NA | |
| Environmental Scanning Electron Microscope | XL30 ESEM FEG Philips (FEI) | NA |
References
- Branda, S. S., Vik, S., Friedman, L., Kolter, R. Biofilms: the matrix revisited. Trends Microbiol. 13, 20-26 (2005).
- Stoodley, P., Sauer, K., Davies, D. G., Costerton, J. W. Biofilms as complex differentiated communities. Annu Rev Microbiol. 56, 187-209 (2002).
- Miller, M. B., Bassler, B. L. Quorum sensing in bacteria. Annu Rev Microbiol. 55, 165-199 (2001).
- Aguilar, C., Vlamakis, H., Losick, R., Kolter, R. Thinking about Bacillus subtilis as a multicellular organism. Curr Opin Microbiol. 10, 638-643 (2007).
- Kolter, R., Greenberg, E. P. Microbial sciences: the superficial life of microbes. Nature. 441, 300-302 (2006).
- Kearns, D. B., Chu, F., Branda, S. S., Kolter, R., Losick, R. A master regulator for biofilm formation by Bacillus subtilis. Mol Microbiol. 55, 739-749 (2005).
- Branda, S. S., Chu, F., Kearns, D. B., Losick, R., Kolter, R. A major protein component of the Bacillus subtilis biofilm matrix. Mol Microbiol. 59, 1229-1238 (2006).
- Romero, D., Aguilar, C., Losick, R., Kolter, R. Amyloid fibers provide structural integrity to Bacillus subtilis biofilms. Proc Natl Acad Sci USA. 107, 2230-2234 (2010).
- Kobayashi, K., Iwano, M. BslA(YuaB) forms a hydrophobic layer on the surface of Bacillus subtilis biofilms. Mol Microbiol. 85, 51-66 (2012).
- Hobley, L., et al. BslA is a self-assembling bacterial hydrophobin that coats the Bacillus subtilis biofilm. Proc Natl Acad Sci USA. 110, 13600-13605 (2013).
- Romero, D., Vlamakis, H., Losick, R., Kolter, R. An accessory protein required for anchoring and assembly of amyloid fibres in B. subtilis biofilms. Mol Microbiol. 80, 1155-1168 (2011).
- Kolodkin-Gal, I., et al. D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science. 328, 627-629 (2010).
- Chan, Y. G., Kim, H. K., Schneewind, O., Missiakas, D. The capsular polysaccharide of Staphylococcus aureus is attached to peptidoglycan by the LytR-CpsA-Psr (LCP) family of enzymes. J Biol Chem. 289, 15680-15690 (2014).
- Mielich-Suss, B., Lopez, D. Molecular mechanisms involved in Bacillus subtilis biofilm formation. Environ Microbiol. 17, 555-565 (2014).
- Cairns, L. S., Hobley, L., Stanley-Wall, N. R. Biofilm formation by Bacillus subtilis: new insights into regulatory strategies and assembly mechanisms. Mol Microbiol. 93, 587-598 (2014).
- Chen, M., Yu, Q., Sun, H. Novel strategies for the prevention and treatment of biofilm related infections. Int J Mol Sci. 14, 18488-18501 (2013).
- Bucher, T., Oppenheimer-Shaanan, Y., Savidor, A., Bloom-Ackermann, Z., Kolodkin-Gal, I. Disturbance of the bacterial cell wall specifically interferes with biofilm formation. Environ Microbiol Rep. 7, 990-1004 (2015).
- Sarkar, S., Pires, M. M. D-Amino acids do not inhibit biofilm formation in Staphylococcus aureus. PLoS One. 10, e0117613 (2015).
- Wei, W., Bing, W., Ren, J., Qu, X. Near infrared-caged D-amino acids multifunctional assembly for simultaneously eradicating biofilms and bacteria. Chem Commun (Camb). 51, 12677-12679 (2015).
- Leiman, S. A., et al. D-amino acids indirectly inhibit biofilm formation in Bacillus subtilis by interfering with protein synthesis. J Bacteriol. 195, 5391-5395 (2013).
- Costerton, J. W., Stewart, P. S., Greenberg, E. P. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science. 284, 1318-1322 (1999).
- Davies, D. Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat Rev Drug Discov. 2, 114-122 (2003).
- Olsen, I. Biofilm-specific antibiotic tolerance and resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 34, 877-886 (2015).
- Tseng, B. S., et al. The extracellular matrix protects Pseudomonas aeruginosa biofilms by limiting the penetration of tobramycin. Environ Microbiol. 15, 2865-2878 (2013).
- Branda, S. S., Gonzalez-Pastor, J. E., Ben-Yehuda, S., Losick, R., Kolter, R. Fruiting body formation by Bacillus subtilis. Proc Natl Acad Sci USA. 98, 11621-11626 (2001).
- Holscher, T., et al. Motility, Chemotaxis and Aerotaxis Contribute to Competitiveness during Bacterial Pellicle Biofilm Development. J Mol Biol. 427, 3695-3708 (2015).
- Bray, D. . Methods in Biotechnology. 13, 235-243 (2000).
- Ensikat, H. J., Ditsche-Kuru, P., Barthlott, W. . Scanning electron microscopy of plant surfaces: simple but sophisticated methods for preparation and examination. 1, 248-255 (2010).
- Hayat, M. A. . Principles and techniques of scanning electron microscopy: Biological applications. 2, (1976).
- Schatten, H. . Scanning Electron Microscopy for the Life Sciences. , (2013).
- Bridier, A., Meylheuc, T., Briandet, R. Realistic representation of Bacillus subtilis biofilms architecture using combined microscopy (CLSM, ESEM and FESEM). Micron. 48, 65-69 (2013).
- Boyde, A., MacOnnachie, E. Volume changes during preparation of mouse embryonic tissue for scanning electron microscopy. SCANNING. 2, 149-163 (1979).
- Yao, Z., Kahne, D., Kishony, R. Distinct single-cell morphological dynamics under beta-lactam antibiotics. Mol Cell. 48, 705-712 (2012).
- Epstein, A. K., Pokroy, B., Seminara, A., Aizenberg, J. Bacterial biofilm shows persistent resistance to liquid wetting and gas penetration. Proc Natl Acad Sci USA. 108, 995-1000 (2011).
- Vlamakis, H., Chai, Y., Beauregard, P., Losick, R., Kolter, R. Sticking together: building a biofilm the Bacillus subtilis way. Nat Rev Microbiol. 11, 157-168 (2013).
- Shemesh, M., Chai, Y. A combination of glycerol and manganese promotes biofilm formation in Bacillus subtilis via histidine kinase KinD signaling. J Bacteriol. 195, 2747-2754 (2013).
- Kolodkin-Gal, I., et al. Respiration control of multicellularity in Bacillus subtilis by a complex of the cytochrome chain with a membrane-embedded histidine kinase. Genes Dev. 27, 887-899 (2013).
- Oppenheimer-Shaanan, Y., et al. Spatio-temporal assembly of functional mineral scaffolds within microbial biofilms. npj Biofilms and Microbiomes. 2, 15031 (2016).
- Garcia-Betancur, J. C., Yepes, A., Schneider, J., Lopez, D. Single-cell analysis of Bacillus subtilis biofilms using fluorescence microscopy and flow cytometry. J Vis Exp. , e3796 (2012).
- Bogino, P. C., Oliva Mde, L., Sorroche, F. G., Giordano, W. The role of bacterial biofilms and surface components in plant-bacterial associations. Int J Mol Sci. 14, 15838-15859 (2013).
- Fratamico, P. M., Annous, B. A., Guenther, N. W. . Biofilms in the Food and Beverage Industires. 1, (2009).
- Gao, G., et al. Effect of biocontrol agent Pseudomonas fluorescens 2P24 on soil fungal community in cucumber rhizosphere using T-RFLP and DGGE. PLoS One. 7, e31806 (2012).
- Chen, Y., et al. Biocontrol of tomato wilt disease by Bacillus subtilis isolates from natural environments depends on conserved genes mediating biofilm formation. Environ Microbiol. 15, 848-864 (2013).
- Bryers, J. D. Medical biofilms. Biotechnol Bioeng. 100, 1-18 (2008).
- Logan, B. E. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nat Rev Microbiol. 7, 375-381 (2009).
- Nevin, K. P., Woodard, T. L., Franks, A. E., Summers, Z. M., Lovley, D. R. Microbial electrosynthesis: feeding microbes electricity to convert carbon dioxide and water to multicarbon extracellular organic compounds. MBio. 1, (2010).
- Torres, C. I., et al. A kinetic perspective on extracellular electron transfer by anode-respiring bacteria. FEMS Microbiol Rev. 34, 3-17 (2010).
- Li, J., Wang, N. Foliar application of biofilm formation-inhibiting compounds enhances control of citrus canker caused by Xanthomonas citri subsp. citri. Phytopathology. 104, 134-142 (2014).
- Okegbe, C., Price-Whelan, A., Dietrich, L. E. Redox-driven regulation of microbial community morphogenesis. Curr Opin Microbiol. 18, 39-45 (2014).
- Mann, E. E., Wozniak, D. J. Pseudomonas biofilm matrix composition and niche biology. FEMS Microbiol Rev. 36, 893-916 (2012).
- Bouffartigues, E., et al. Sucrose favors Pseudomonas aeruginosa pellicle production through the extracytoplasmic function sigma factor SigX. FEMS Microbiol Lett. 356, 193-200 (2014).
- Wu, C., Lim, J. Y., Fuller, G. G., Cegelski, L. Quantitative analysis of amyloid-integrated biofilms formed by uropathogenic Escherichia coli at the air-liquid interface. Biophys J. 103, 464-471 (2012).
- Serra, D. O., Richter, A. M., Hengge, R. Cellulose as an Architectural Element in Spatially Structured Escherichia coli Biofilms. J Bacteriol. 195, 5540-5554 (2013).
