يصف هذا البروتوكول طريقة جديدة لزراعة وتحليل الأغشية الحيوية البكتيرية على خيوط فطرية بواسطة المجهر متحد البؤر والإلكترون نوعيا.
الأغشية الحيوية البكتيرية غالبا ما تتشكل على الأسطح الفطرية ويمكن أن تشارك في العديد من عمليات التفاعل البكتيرية للفطريات، مثل التعاون الأيض، والمنافسة، أو الافتراس. دراسة الأغشية الحيوية مهمة في العديد من المجالات الحيوية، بما في ذلك العلوم البيئية، وإنتاج الغذاء، والدواء. ومع ذلك، فقد ركزت بعض الدراسات على هذه الأغشية الحيوية البكتيرية، ويرجع ذلك جزئيا إلى صعوبة التحقيق معهم. معظم طرق بيوفيلم النوعي والكمي تحليلات وصفها في المؤلفات هي مناسبة فقط لالأغشية الحيوية تتشكل على الأسطح غير الحية أو على الأسطح الحيوية متجانسة ورقيقة، مثل أحادي الطبقة من الخلايا الظهارية.
أثناء المسح الضوئي ليزر متحد البؤر المجهري (LSCM) غالبا ما تستخدم لتحليل في الموقع وفي الأغشية الحيوية الجسم الحي، وهذه التكنولوجيا أصبحت صعبة للغاية عندما يطبق على الأغشية الحيوية البكتيرية على خيوط فطرية، وذلك بسبب سماكة والأبعاد الثلاثة للأسماء الشبكات خوطيorks. للتغلب على هذا القصور، قمنا بتطوير بروتوكول الجمع بين المجهري مع طريقة للحد من تراكم طبقات خوطي في المستعمرات الفطرية. باستخدام هذا الأسلوب، كنا قادرين على تحقيق تنمية الأغشية الحيوية البكتيرية على خيوط فطرية على مستويات متعددة باستخدام كل من المجهر الإلكتروني الماسح LSCM و(SEM). ويصف هذا التقرير البروتوكول، بما في ذلك الثقافات الكائنات الحية الدقيقة، وظروف تشكيل التجمعات البكتيرية، وتلطيخ بيوفيلم، وLSCM وتصورات ووزارة شؤون المرأة.
الفطريات والبكتيريا لديها العديد من الفرص للتفاعل مع بعضها البعض لأنها تتعايش في معظم البيئات الأرضية. نظرا لتنوعها و وجودهم، هذه التفاعلات مهمة في العديد من المجالات الحيوية، بما في ذلك التكنولوجيا الحيوية، والزراعة، وتجهيز الأغذية، والأدوية 1 و 2. تتطلب التفاعلات الجزيئية درجة معينة من القرب للسماح التبادلات بين الشركاء، وفي بعض الحالات، وهي جمعية الفيزيائية للشركاء ضرورية للتفاعل وظيفي 3. وجود ارتباط المادية المشتركة بين البكتيريا والفطريات هي تشكيل الأغشية الحيوية البكتيرية على الأسطح الفطرية 4. هذا الاتصال المباشر بين الخلايا البكتيرية والفطرية خيوط يسمح التفاعلات الحميمة التي تشارك في العمليات البيولوجية المختلفة. على سبيل المثال، في الطب، ودراسة تشكيل بيوفيلم الزائفة الزنجارية على opportunistic الممرض الفطرية المبيضات البيض يمكن أن تساعد في فهم الصلة بين تشكيل بيوفيلم والفوعة 5. في الزراعة، وتشير الدراسات إلى أن المعززة للنمو النبات rhizobacteria والمكافحة الحيوية البكتيريا لديها زيادة كفاءة عندما يرتبط مع نوع من الفطريات في بيوفيلم مختلط. على سبيل المثال، قد عززت elkanii المجتذرة N 2 النشاط -fixing عندما يرتبط مع محاري شائع في بيوفيلم مختلط 6. وأخيرا، في المعالجة البيولوجية، وقد استخدمت الأغشية الحيوية مختلطة البكتيرية للفطريات لمعالجة المواقع الملوثة 7 و 8.
LSCM هو مناسبة خاصة لدراسة الأغشية الحيوية لأنه يسمح لمراقبة ثلاثية الأبعاد المعيشة الأغشية الحيوية رطب مع الحد الأدنى من المعالجة المسبقة، وبالتالي الحفاظ على هيكل بيوفيلم والتنظيم. وهكذا، والتحليل بيوفيلم بواسطة LSCM مفيدة للغاية، وخاصة لديتفرو القاقم على مدار الساعة من تشكيل بيوفيلم والكشف عن مراحل مميزة 9، 10، من الخطوة التصاق لتطوير بيوفيلم ناضجة. كما تكييفها بشكل خاص لتصور هيكل بيوفيلم ومصفوفة 11، 12 أو لتحديد حجم بيوفيلم 13، 14. على الرغم من أن هذا الأسلوب هو مناسبة لدراسة الأغشية الحيوية على السطوح الحيوية غير الحيوية أو رقيقة، دراسة التجمعات البكتيرية على مستعمرة الخيطية الفطرية لا تزال صعبة للغاية. والواقع أن معظم الفطريات الخيطية بناء شبكات ثلاثي الأبعاد سميكة ومعقدة في مجال الثقافة. حتى إذا كان من الممكن تصوير الأجسام الكثيفة بواسطة المجهر متحد البؤر، وتوهين للتغلغل الليزر وانبعاث مضان في كثير من الأحيان يقلل من جودة الصور النهائية على عمق 50 ميكرون 15. وعلاوة على ذلك، لأن المستعمرات الفطرية ليست جامدة، طر من الصعب التعامل مع الكائنات الحية الدقيقة من دون إزعاج الأغشية الحيوية. نظرا لسماكة من العينات، وعادة ما تكون إجراء بعض التحليلات المجهرية الأغشية الحيوية البكتيرية على خيوط فطرية فقط على جزء صغير من مستعمرة الفطرية، وبالتالي لا يحتوي إلا على عدد قليل من خيوط 16 و 17 و 18. كل هذا يحد من قدرتنا على وصف توزيع بيوفيلم على مستعمرة الفطرية، وبالتالي يمكن أن يحقق التحيز في التحليل في حالة توزيع غيروي المنشأ من بيوفيلم داخل مستعمرة الفطرية.
للتغلب على هذه الصعوبات، ونحن التقرير وسيلة لنمو وتحليل التجمعات البكتيرية على خيوط فطرية. تم تطبيق هذا الأسلوب لدراسة تشكيل بيوفيلم في الزائفة المتألقة BBc6 على خيوط من basidiomycete ectomycorrhizal Laccaria ذو لونين S238N. وصفت هذين الكائنات الحية الدقيقة في التربة الغابات سابقا لتشكيل مختلطةهياكل بيوفيلم مثل 19 و 20. هذه الطريقة يمكن بسهولة زيادة تكييفها لأنظمة الفطرية / البكتيرية الخيطية أخرى. وتستند هذه الطريقة المعروضة هنا على الجمع بين طريقة ثقافة فطرية، مما يسمح لنمو المستعمرات الفطرية رقيقة جدا، مع LSCM والتصوير ووزارة شؤون المرأة. هذا يسمح لنا بالحصول الصغرى (المدى ميكرون)، وmeso- (المدى ملم) مقياس آراء التفاعل بين الكائنات الحية الدقيقة اثنين، والسماح لتوصيف نوعي لبيوفيلم. أظهرنا أيضا أن العينات يمكن ملاحظتها مع وزارة شؤون المرأة، والسماح التحليل البنيوي للبيوفيلم على مستوى مقياس النانو (المدى نانومتر).
يتم استرداد الأغشية الحيوية البكتيرية في العديد من البيئات، وقد درست منذ 1950s، مما أدى إلى تطوير عدد من الطرق لتحليلها 24. الطرق التقليدية لقياس ورصد تشمل الأغشية الحيوية المقايسات عيار الصغير و، الأسلوب الأكثر استخداما على نطاق واسع، البنفسجي الكريستال (CV) تلطيخ. وهذه الأساليب هي سريعة ومنخفضة التكلفة، وسهلة للتعامل مع 25 ومفيدة بشكل خاص لقياس إجمالي الكتلة الحيوية بيوفيلم أو لأداء الجدوى وتقدير مصفوفة المقايسات. على الجانب الآخر، "OMICS" الأساليب هي أيضا مفيدة في الدراسات بيوفيلم، والسماح لالتحليلات الكمية وظيفية من الأغشية الحيوية 26، 27. على الرغم من المزايا من لوحة، عيار الصغيرة و"OMICS" الأساليب والعديد من الميزات الأساسية من الأغشية الحيوية لا يمكن الحصول عليها مع هذه التقنيات، مما يعوق فهم كامل لهذه العملية. وتشمل هذه الميزات هيكل المصفوفةالصورة، أبنية مستعمرة بكتيرية، والتفاعلات خلية / خلية، وأنماط الاستعمار، والتي هي بيانات أساسية لفهم كل من وظائف الأغشية الحيوية والديناميكية من تكوينها. وعلى الرغم من قدرة المجهر لالتقاط هذه الميزات، والتحليل المجهري الأغشية الحيوية البكتيرية على الفطريات الخيطية لا تزال شحيحة. ويرجع ذلك أساسا إلى نمو الفطريات الخيطية، والتي غالبا ما تشكل مستعمرات معقدة شبكات ثلاثي الأبعاد سميكة، و، هذا. تشكيل الأغشية الحيوية البكتيرية على الفطريات هو شائع في بيئات متنوعة وتشارك بشكل كبير في مختلف المجالات 4 (على سبيل المثال، والطب، والزراعة، والبيئة)؛ وبالتالي، فمن الأهمية بمكان لتطوير أساليب جديدة لتسهيل التحقيق. تحقيقا لهذه الغاية، ونحن معا طريقة لتوليد المستعمرات الفطرية رقيقة جدا مع التصوير المجهري للالأغشية الحيوية البكتيرية. وبالإضافة إلى ذلك، اقترحنا مجموعة من أدوات الفحص المجهري لتحليل نوعية تلك الأغشية الحيوية. نجاح الطريقة تعتمد علىالقدرة على إنتاج المستعمرات خوطي رقيقة جدا وتطبيق الأصباغ المناسبة. وتناقش هذه النقاط أدناه.
ويرجع ذلك إلى هياكل معقدة من الأغشية الحيوية، فهم وظيفتها يتطلب اتباع نهج متعدد النطاقات 28 و 29. ويتم تحليل أنماط توزيع الأغشية الحيوية، والهندسة المعمارية البكتيرية مستعمرة، وهيكل المصفوفة والتكوين على مختلف المستويات (أي والمتوسط على نطاق والصغيرة الحجم). وعلاوة على ذلك، يسمح قرار النانو الوصول إلى خلية / خلية التفاعلات المادية ونانو هيكل المصفوفة. وهكذا، فإن طريقة تم تطويرها تمكن بسهولة تحليل متعدد النطاقات من الأغشية الحيوية البكتيرية التي شكلت في مستعمرة الفطرية.
في معظم الدراسات، LSCM يحلل الأغشية الحيوية تقتصر على الصغيرة الحجم، وعلى نطاق والمتوسط عادة يؤديها البصرية تماسك التصوير المقطعي 30، 31، <supالطبقة = "XREF"> 32. الطريقة المعروضة هنا يمكن على حد سواء الصغير والمتوسط الحجم ويحلل من قبل LSCM. ومما يدل على فائدة الجمع بين كل من يحلل في نفس المنطقة من العينة وحتى على نفس الصورة باستخدام جيل جديد من المجاهر مبائر مع ارتفاع القرار (الشكل 3). وهكذا، تجمع القضايا المرتبطة بيانات جمعتها على مختلف المستويات مع تفادي أساليب مختلفة هنا.
أعطى هذا المزيج من التحليلات وصول متزامن إلى إعادة تقسيم بيوفيلم على مستعمرة الفطرية، والهندسة المعمارية مستعمرة بكتيرية على طول بيوفيلم النامية، وهيكل المصفوفة. أظهر تحليل متوسطة النطاق توزيع غيروي المنشأ من الأغشية الحيوية البكتيرية على المستعمرات الفطرية (الشكلان 2 و 3). أن هذه الملاحظة لم يكن ممكنا مع البروتوكولات التي تسمح فقط تصوير جزء صغير من مستعمرة فطرية، وهي ليست بالضرورة ممثل مستعمرة بأكملها. وهكذا، في حينغالبا ما تهمل، وتحليل متوسطة النطاق يمكن أن تعطي معلومات قيمة عن أنماط توزيع بيوفيلم.
وأخيرا، فإن طريقة تم تطويرها يمكن استخدامها لتحليل العينات مع تقنيات المجهر مختلفة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني. هنا، كان يستخدم SEM للوصول إلى مقياس النانو والحصول على التنظيم المكاني البكتيرية داخل بيوفيلم. ومن أداؤها جيدا جدا مع المستعمرات الفطرية رقيقة، في حين SEM يسمح فقط تصوير السطح. وعلى النقيض من LSCM، ووزارة شؤون المرأة، ومع ذلك، يتطلب عينة الجفاف و، في معظم الأحيان، طلاء مع معدن موصل. هذه العملية الجفاف قد يغير الهياكل البيولوجية عندما لا يتم تنفيذه بشكل صحيح وقد تتطلب التحسين. هنا، تم استخدام عينة الجفاف باستخدام تجفيد بطء 33. ومع ذلك، تطبيق كل LSCM ووزارة شؤون المرأة للعينات سيسمح أداء المجهر المتلازم في نفس الموقع من العينة.
على الرغم من المزاياالمذكورة أعلاه، بعض القيود موجودة. أولا، قد لا تكون قابلة للتطبيق على كل نوع من الفطريات. في الواقع، تم تطوير هذه الطريقة زراعة للفطريات نشر شعاعيا على سطح صلب وسائل الإعلام. هذه الطريقة قد لا تكون مناسبة لفطريات تشكيل خيوط أساسا الجوي (على سبيل المثال، الفيوزاريوم س.) أو الفطريات الدقيقة الهوائية نشر أساسا داخل أجار. وعلاوة على ذلك، قد تكون الفطريات مهينة السيلوفان مشكلة وكذلك (على سبيل المثال، الترايكوديرما س.). ثانيا، من المهم أن نلاحظ أن استراتيجية تلطيخ هي نقطة حرجة ويجب أن يتم اختيار وصمة عار بعناية، كما يجب على وصمة عار لا تزعج بيوفيلم. على سبيل المثال، لاحظنا أن Calcofluor الأبيض تسبب جزئي تعطل بيوفيلم (لا تظهر البيانات)، من المحتمل بسبب ارتفاع درجة الحموضة من هذا وصمة عار. أيضا، أنتجت بعض الأصباغ تلطيخ غير متجانسة (على سبيل المثال، الكونغو الأحمر)، في حين أنتجت الآخرين تلطيخ متجانس (على سبيل المثال، خلية جدار تلطيخ مع WGA كتين)، مما يعطي جودة الصورة غير المتجانسة.وعلاوة على ذلك، من المهم أن ندرك أن بعض الأصباغ قد لا تكون محددة تماما. على سبيل المثال، البقع WGA ليس فقط جدران الخلايا الفطرية ولكن حمض أيضا N-acetylneuraminic في جدران الخلايا البكتيرية إيجابية الجرام وadhesins التي تنتجها البكتيريا إيجابية الجرام و-سلبية خلال تشكيل بيوفيلم 34، 35. ولذلك، باستخدام بكتيريا الفلورسنت الموسومة البروتين و / أو ينصح الفطريات لتجنب تلطيخ متعددة. في حالة استخدام الأصباغ متعددة، يجب أن لا تتدخل كيميائيا، ويجب أن أطياف انبعاثاتها لا تتداخل.
يحلل المتوسط على نطاق وتتطلب مساحة كبيرة الممسوحة ضوئيا، وبالتالي، قد يكون LSCM تستغرق وقتا طويلا (40 دقيقة إلى 1 ساعة، اعتمادا على سمك العينة) وعنق الزجاجة تحليل عدد كبير من العينات. ومع ذلك، فإن التعديلات يمكن أن تكون تبعا لنوع البيانات المطلوبة. ومن الممكن أن ينخفض اكتساب الوقت وحجم الصورة عن طريق تغيير جودة الصورة. على سبيل المثال، وارتفاع القرارليس من الضروري تحليل إعادة تقسيم العام بيوفيلم.
وأخيرا، لا بد من مراعاتها عند اختيار لعرض البيانات كومة Z- كما 2D أو 3D توقعات بعض القيود. توقعات ثنائي الأبعاد هي وسيلة جيدة لتلخيص البيانات، ولكن فقدت عمق المعلومات، والهياكل المتراكبة تصبح خفية. من ناحية أخرى، توقعات 3D تسمح التصور من وجهات نظر مختلفة، لكنهم غالبا ما تجعل ضعيفا في حالة من التعقيد المكاني.
في الختام، لقد ذكرت طريقة لتوصيف الأغشية الحيوية البكتيرية على خيوط على المستوى الهيكلي. ويمكن تمديد هذه المنهجية إلى تطبيقات أخرى. والواقع أن هذا الأسلوب يسمح للأداء توصيف وظيفي أو الكيميائي للالأغشية الحيوية البكتيرية تتشكل على خيوط فطرية. ويرجع ذلك إلى مجموعة كبيرة ومتنوعة من أنظمة مراسل الفلورسنت الحالية وتحليل LSCM يمكن أن تستخدم لأغراض متعددة 29. على سبيل المثال، هيئة التصنيع العسكري مضانroscopy يمكن أن تستخدم لرصد درجة الحموضة التدرج 36 أو نشر جزيء في الأغشية الحيوية 37. بالإضافة إلى ذلك، يسمح للطريقة لتحليل المجتمع في الأغشية الحيوية المتعددة الأنواع. على سبيل المثال، مضان في الموقع التهجين التي تستهدف فئات محددة البكتيرية مفيد بشكل خاص لدراسة إعادة تقسيم البكتيريا محددة في الأنواع المتعددة الأغشية الحيوية 38، 39. مشاركة، الأصباغ الفلورية عديدة يمكن استخدامها لوصف تكوين مصفوفة من الأغشية الحيوية 21. هنا، تم استهداف البروتينات باستخدام Sypro، التي بقع مجموعة كبيرة من البروتينات، من بينها البروتينات المصفوفة (الشكل 4)، ولكن الأصباغ الأخرى تسمح التصور من مكونات المصفوفة الهامة الأخرى، مثل exopolysaccharides أو الحمض النووي خارج الخلية. ومن المثير للاهتمام، يمكن أن يؤديها كل هذه التحليلات على المستوى المتوسط وباستخدام الطريقة الموصوفة. منذ لا يمكن أن يؤديها LSCM على عينات حية،ومن الممكن أيضا لتحقيق الوقت الفاصل بين التصوير باستخدام، على سبيل المثال، coverwell غرف، ومناسبة خاصة بالنسبة للمستعمرات فطرية رقيقة. هذا الخيار المثير للاهتمام بشكل خاص، كما تشكيل بيوفيلم هو، عملية دينامية معقدة. وأخيرا، لغرض الكمي، وطريقة المبلغ عنها قد تحسين دقة التحليل الكمي التلقائي بجعل هذا الكمي ممكن على الصور المتوسط الحجم. هذا قد تغلب على عدم التجانس بيوفيلم والقضايا الإحصائية 29.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the French National Research Agency through the Laboratory of Excellence ARBRE (ANR-11-LABX-0002-01), the Plant-Microbe Interfaces Scientific Focus Area in the Genomic Science Program, and the Office of Biological and Environmental Research in the DOE Office of Science. Oak Ridge National Laboratory is managed by UT-Battelle, LLC, for the United States Department of Energy under contract DE-AC05-00OR22725.
6 well Falcon Tissue Culture Plates | Fisher Scientific | 08-772-33 | Used in 2.2 & 3.1 |
Congo Red | Fisher Scientific | C580-25 | Used in 3.1.4.1 |
FUN 1 Cell Stain | Thermo Fisher Scientific | F7030 | Used in 3.1.4.1 |
Wheat Germ Agglutinin, Alexa Fluor 633 Conjugate | Thermo Fisher Scientific | W21404 | Used in 3.1.4.1 |
DAPI solution | Thermo Fisher Scientific | 62248 | Used in 3.1.4.2 |
Propidium iodide | Thermo Fisher Scientific | P3566 | Used in 3.1.4.3 |
FilmTracer SYPRO Ruby Biofilm Matrix protein Stain | Thermo Fisher Scientific | F10318 | Used in 3.1.4.4 |
Fluoromount-G Slide Mounting Medium | Fisher Scientific | OB100-01 | Used in 3.1.7 |
LSM780 Axio Observer Z1 | Zeiss | Used in 3.2.1 | |
ZEN 2.1 lite black software | Zeiss | Used in 3.2.1 | |
High Vacuum Coater Leica EM ACE600 | Leica | Used in 4 | |
GeminiSEM-FEG | Zeiss | Used in 4 |