JoVE Journal > Immunology and Infection
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Immunology and Infection

מתודולוגיות לימוד<em> B. subtilis</em> Biofilms כמודל לאפיון מולקולה קטנה Biofilm מעכבי

Published: October 09, 2016
doi:
10.3791/54612
, ,
1Department of Molecular Genetics,Weizmann Institute of Science, 2Electron Microscopy Unit,Weizmann Institute of Science

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

קהילות חיידקים רבות תאי לשחק תפקידים משמעותיים הסביבה טבעית אנתרופוגניים, והוא יכול להיות מועיל או מזיק ביותר. מושבות רבות התאיות אלה ידועים כמו biofilms, שבה התאים הבודדים המוטבעים מטריצת חומרים פולימריים תאיים בהפקה עצמית (EPS). EPS מאוד לדבוק התאים אל פני השטח הוא ליישב. הם לשמש כמגן נגד כוחות מכניים וכימיים וליצור קשר הדוק בין תאים שכנים, בהקלת התקשורת הסלולרית 1. Biofilm ניתן לצפות כקהילת בדיל, שבו משתמשי תאי פיקוח הדוק, מתוזמר תהליכים כדי לתאם את פעילותם בתוך הקהילה, כמו גם על פני מיני 2-5. המעבר ממצב planktonic ונטול חיים של צמיחה למצב ביופילם קשור לעתים קרובות עם תהליכים התפתחותיים. דוגמה טובה לכך היא subtilis Bacillus חיידק אדמה חיובי-גראם, ולפיכך undomeזן sticated משמש כאורגניזם מודל חזק כדי ללמוד את שלבי ההתפתחות מובילים להיווצרות ביופילם. חיידק זה, תאי ניע להתארגן מבנים רבים-תאיים בולטים מבצעות משימות מיוחדות 4. קבוצה אחת של תאים, המטריצה מפיק להפריש exopolysaccharides 6, חלבון עמילואיד טס 7,8, ואת חלבון הידרופוביות משטח BslA 9,10; שכולן להשתתף באסיפה של EPS 11-13.

בהתחשב השפע של biofilms בנישות טבעיות אנתרופוגניים והניזק הקטלני המשוערת הם יכולים לגרום, יש צורך דוחק למצוא דרכים למנוע היווצרותם. מעכבי מולקולה קטנים יכולים לסייע לגילוי מסלולי רגולטוריות חדשים, אנזימים וחלבונים מבניים המעורבים ביצירת ביופילם, ובכך לקדם תובנות התהליכים המורכבים של הרכבת קהילה רבה-תאית. כב ' subtilis הוא מודל למד היטב עבור ביוהיווצרות סרט 14,15, זה יכול לשמש כדי להעריך את ההשפעות של מעכבי ביופילם שונים. מחקר זה מתמודד עם ארבע שיטות יסוד שהן המפתח להערכת התגובה של biofilms למעכבי מולקולה קטנה. ראשית, על מנת להבטיח כי מעכבים אלה יש מטרת biofilm הספציפי, הפרדת ההשפעה על צמיחת planktonic מהשפעת על היווצרות ביופילם היא קריטית. רוב סוכני אנטיבקטריאלי למקד תאים בשלב הצמיחה planktonic שלהם, אבל מולקולות המשפיעות על אורח החיים ביופילם הם נדירים. בנוסף, כמו מולקולות שאינו משפיעות צמיחת planktonic אינן רעילות, הם יכולים להפחית את לחץ הסלקטיבי העדפת מוטציות אנטיביוטיות עמידות 16. לדוגמה, כאשר biofilms מטופלים עם חומצות אמינו D-או מולקולות מקיר מפריעים תאים אחרים מסוימים, הם גם מוטרדים או מפורקים, אבל מעכבי אלה רק במתינות להשפיע 12,17 צמיחה planktonic. לעומת זאת, אנטיביוטיקה רבה לפגוע בצמיחת planktonic דרמטית, עם little או אין השפעה על היווצרות ביופילם 17.

שנית, הקמת מסגרת ניסיונית עקבית ויציב כדי לחקור את ההשפעה של המולקולות הקטנות חיונית. צפינו כי טווח הריכוז הפעיל של מעכבי מולקולה קטנים היה רגיש לתנאים מראש התרבות להגדרות הניסוי נעשו שימוש כדי לחקור את ההשפעה של מעכבי מולקולה הקטנים אלה. דיווחים שונים, במיוחד הלומדים ב subtilis, חשף וריאציות בטווח הריכוז שבו D-אמינו חומצות לדכא את היווצרות pellicles – את biofilms חיידקי צף 12,17-19. התוצאות המוצגות כאן עולות כי הגורמים הבאים להסביר את ההבדלים בטווח הריכוז הפעיל: התנאים מראש התרבות (12,17 לוגריתמים לעומת שלב מאוחר-נייח 20 צמיחה), את מדיום הגידול בשימוש המצב טרום התרבות (עשירות, undefined [מרק לוריא, LB] לעומת מוגדר [מונוסודיום גלוטמט-glycerol, MSgg]), יחס החיסון ובמיוחד הסרת המדיום מראש התרבות לפני החיסון. הטמפרטורה של צמיחה קרומית סטטי הראה תפקיד חשוב פחות בטווח הפעילות של D-לאוצין מעכב מולקולה קטנה, חומצת אמינו D-נציג השתמשו במחקר זה.

לבסוף, לאחר biofilms מטופלים עם מעכבי biofilm ספציפיים, שיטות חזקות ואינפורמטיבי נדרשות לאפיין את ההשפעות של מעכבים אלה על כושר ביופילם. הנה, שתי שיטות כדי לאפיין את ההשפעה עצמאית של מעכבי מולקולה קטנים מתוארות בפירוט: (1) ההשפעה על תאים בודדים בתוך מושבה ביופילם ואת התנגדותם סוכני מיקרוביאלית. תאי biofilms הם בדרך כלל יותר עמיד לאנטיביוטיקה בהשוואת חיידקים חינם-חי 21-23. בעוד תופעה זו תלויה בכמה גורמים, היכולת של EPS כדי לצמצם את חדירת אנטיביוטיקה לעתים קרובות נחשב כהסבר מושך 24 </sup>. שיטה זו מעריכה את הישרדותם של תאי biofilm שנקבע מראש לאחר חשיפה לחומרים אנטי בקטריאליים. (2) ההשפעה על אדריכלות המושבה ביופילם, מן הגדולים אל בקנה מידה קטן. מושבות Biofilm מאופיינים המבנה התלת-ממדי שלהם ואת הנוכחות של EPS. ניצול במיקרוסקופ אלקטרונים סורק, שינויים במורפולוגיה התא, מבנה המושבה ביופילם והארכיטקטורה ושפע של EPS ניתן דמיינו מן גדול (מ"מ) אל בקנה מידה קטן (מיקרומטר).

Protocol

1. הערכת השפעת מולקולה קטנה מעכבי על קרומית היווצרות המושבה Biofilm כן פתרון 2x של מדיום MSgg וישכנע ביופילם מוגדר 25 ללא כלוריד סידן וברזל hexahydrate כלוריד (III). לאחר העיקור מסנן, מוסיפים את כלוריד סידן. המדיום הוא מוכן לשימ?…

Representative Results

את assay הקרומית היא אחת שיטות כדי לחקור את תהליכי פיקוח הדוק והדינמיים של B. subtilis רב-תאיות. מלבד זאת, assay הקרומית מתאימה לבדוק מגוון של תנאים או טרום פתיחה או ריכוזי מולקולה קטנים בצלחת multidish תא-תרבות אחת בניסוי אחד. עם זאת, ב ' ההיווצרות קרומית subtilis רגישה ?…

Discussion

Subtilis Bacillus צורות חזקה מובנה מאוד biofilms הוא נוזל (pellicles) ועל בינוני מוצק (מושבות). לפיכך, היא משמשת אורגניזם מודל אידיאלי לאפיין את מצב הפעולה של מעכבי biofilm ספציפיים. על תקשורת מוצקה, תאי טופס מבנים רבים-תאי עם מאפייני בולטים שאינם ניכרים pellicles, כמו קמטים הקורנים מהמרכ?…

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Branda, S. S., Vik, S., Friedman, L., Kolter, R. Biofilms: the matrix revisited. Trends Microbiol. 13, 20-26 (2005).
  2. Stoodley, P., Sauer, K., Davies, D. G., Costerton, J. W. Biofilms as complex differentiated communities. Annu Rev Microbiol. 56, 187-209 (2002).
  3. Miller, M. B., Bassler, B. L. Quorum sensing in bacteria. Annu Rev Microbiol. 55, 165-199 (2001).
  4. Aguilar, C., Vlamakis, H., Losick, R., Kolter, R. Thinking about Bacillus subtilis as a multicellular organism. Curr Opin Microbiol. 10, 638-643 (2007).
  5. Kolter, R., Greenberg, E. P. Microbial sciences: the superficial life of microbes. Nature. 441, 300-302 (2006).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Kobayashi, K., Iwano, M. BslA(YuaB) forms a hydrophobic layer on the surface of Bacillus subtilis biofilms. Mol Microbiol. 85, 51-66 (2012).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kolodkin-Gal, I., et al. D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science. 328, 627-629 (2010).
  13. 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).
  14. Mielich-Suss, B., Lopez, D. Molecular mechanisms involved in Bacillus subtilis biofilm formation. Environ Microbiol. 17, 555-565 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Sarkar, S., Pires, M. M. D-Amino acids do not inhibit biofilm formation in Staphylococcus aureus. PLoS One. 10, e0117613 (2015).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Costerton, J. W., Stewart, P. S., Greenberg, E. P. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science. 284, 1318-1322 (1999).
  22. Davies, D. Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat Rev Drug Discov. 2, 114-122 (2003).
  23. Olsen, I. Biofilm-specific antibiotic tolerance and resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 34, 877-886 (2015).
  24. Tseng, B. S., et al. The extracellular matrix protects Pseudomonas aeruginosa biofilms by limiting the penetration of tobramycin. Environ Microbiol. 15, 2865-2878 (2013).
  25. 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).
  26. Holscher, T., et al. Motility, Chemotaxis and Aerotaxis Contribute to Competitiveness during Bacterial Pellicle Biofilm Development. J Mol Biol. 427, 3695-3708 (2015).
  27. Bray, D. . Methods in Biotechnology. 13, 235-243 (2000).
  28. 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).
  29. Hayat, M. A. . Principles and techniques of scanning electron microscopy: Biological applications. 2, (1976).
  30. Schatten, H. . Scanning Electron Microscopy for the Life Sciences. , (2013).
  31. 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).
  32. Boyde, A., MacOnnachie, E. Volume changes during preparation of mouse embryonic tissue for scanning electron microscopy. SCANNING. 2, 149-163 (1979).
  33. Yao, Z., Kahne, D., Kishony, R. Distinct single-cell morphological dynamics under beta-lactam antibiotics. Mol Cell. 48, 705-712 (2012).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Oppenheimer-Shaanan, Y., et al. Spatio-temporal assembly of functional mineral scaffolds within microbial biofilms. npj Biofilms and Microbiomes. 2, 15031 (2016).
  39. 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).
  40. 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).
  41. Fratamico, P. M., Annous, B. A., Guenther, N. W. . Biofilms in the Food and Beverage Industires. 1, (2009).
  42. 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).
  43. 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).
  44. Bryers, J. D. Medical biofilms. Biotechnol Bioeng. 100, 1-18 (2008).
  45. Logan, B. E. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nat Rev Microbiol. 7, 375-381 (2009).
  46. 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).
  47. Torres, C. I., et al. A kinetic perspective on extracellular electron transfer by anode-respiring bacteria. FEMS Microbiol Rev. 34, 3-17 (2010).
  48. 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).
  49. Okegbe, C., Price-Whelan, A., Dietrich, L. E. Redox-driven regulation of microbial community morphogenesis. Curr Opin Microbiol. 18, 39-45 (2014).
  50. Mann, E. E., Wozniak, D. J. Pseudomonas biofilm matrix composition and niche biology. FEMS Microbiol Rev. 36, 893-916 (2012).
  51. Bouffartigues, E., et al. Sucrose favors Pseudomonas aeruginosa pellicle production through the extracytoplasmic function sigma factor SigX. FEMS Microbiol Lett. 356, 193-200 (2014).
  52. 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).
  53. 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).

Tags

B. Subtilis BiofilmsSmall Molecule Biofilm InhibitorsBiofilm FormationBacillus SubtilisPseudomonas AeruginosaXanthomonas CitriScanning Electron MicroscopyPellicle FormationBiofilm GrowthMSgg MediumStarter CultureOptical Density12-well Cell Culture PlateAgar Plate

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Bucher, T., Kartvelishvily, E., Kolodkin-Gal, I. Methodologies for Studying B. subtilis Biofilms as a Model for Characterizing Small Molecule Biofilm Inhibitors. J. Vis. Exp. (116), e54612, doi:10.3791/54612 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image