Bakterienzellen sind räumlich sehr organisiert. Um diese Organisation im Laufe der Zeit in den langsam wachsenden Myxococcus Xanthus Zellen zu folgen, wurde ein Setup für Fluoreszenz live Cell Imaging mit hoher räumlich-zeitliche Auflösung über mehrere Generationen hinweg entwickelt. Mit dieser Methode konnte raumzeitliche Dynamik wichtige Proteine für Chromosom Segregation und Zellteilung bestimmt werden.
Fluoreszenz live Cell Imaging von bakteriellen Zellen ist eine wichtige Methode in der Analyse der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Proteinen und Chromosomen zentrale Zellzyklus Ereignisse zugrunde liegen. Jedoch Bildgebung dieser Moleküle in langsam wachsenden Bakterien stellt eine Herausforderung wegen Immunofluoreszenz Fluorophore und Phototoxizität während der Bildaufnahme. Hier beschreiben wir ein einfaches Protokoll zur Umgehung dieser Einschränkungen bei Myxococcus Xanthus (die eine Generationszeit von 4-6 h). Zu diesem Zweck M. Xanthus Zellen sind auf eine starke Nährstoff-haltigen Agar Auflage in einer feuchten Umgebung mit kontrollierter Temperatur angebaut. Unter diesen Bedingungen ermitteln wir die Verdopplungszeit der einzelnen Zellen durch Anschluss an das Wachstum einzelner Zellen. Darüber hinaus Prozesse wichtige zelluläre, wie Chromosom Segregation und Zellteilung von Fluoreszenz live Cell Imaging von Zellen mit relevanten eindringmittel beschrifteten markerproteine wie Nachwuchscontest-YFP FtsZ-GFP und mCherry-PomX über mehrere abgebildet werden können Zelle Zyklen. Anschließend werden die aufgenommenen Bilder verarbeitet, um Montagen und/oder Filme zu erzeugen.
Bakterienzellen sind räumlich sehr viele Proteine asymmetrisch Lokalisierung innerhalb von zellulären Kompartimenten1,2,3,4organisiert. Diese Lokalisierung ist oft sehr dynamisch und ändert sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf Zellzyklus Cues oder externe Signale. Ebenso ist das bakterielle Chromosom räumlich hoch mit einzelnen Loci zu bestimmten subzellulären Orten positioniert, vor und während der Trennung Prozess5organisiert. Diese dynamische räumliche Organisation ist wichtig für Wachstum, Teilung, Zellzyklus-Verordnung, Differenzierung, Motilität, Signaltransduktion sowie Chromosom Organisation und Trennung; So wirkt sich dies im Wesentlichen alle Aspekte der bakterielle Funktion.
Die räumlich-zeitliche Dynamik dieser zelluläre Prozesse werden in einer Vielzahl von verschiedenen Bakterienarten mit Escherichia coli, Bacillus Subtilis, Vibrio Choleraeund Caulobacter Crescentus dienen als wichtige analysiert Modellorganismen. Aber diese vier Arten decken nur ein kleines Spektrum der bakteriellen Vielfalt und vielleicht nicht überraschend angesichts der großen phylogenetische Entfernung zwischen diesen Arten, zelluläre Organisation und Polarisation Mechanismen unterscheiden sich in diesen Bakterien. Dies wirft die Notwendigkeit für zusätzliche Bakterienarten zu studieren, schließlich allgemeinen Grundsätze für die räumlich-zeitliche Dynamik der Bakterienzellen extrahieren zu können.
Die Gram-negativen Delta-proteobakterium M. Xanthus ist ein Modellorganismus in der Studie von sozialen Verhaltensweisen und Zusammenarbeit in Bakterien6. M. Xanthus ist eine strenge aeroben und in Anwesenheit von Nährstoffen, bildet Kolonien, in denen Zellen nach außen in eine sehr koordinierte, schwärmen Mode und Beute auf andere Mikroorganismen7verbreiten. In Erwiderung auf Nährstoff Hunger, initiieren Zellen eine Entwicklungs Programm, die Ergebnisse in die Bildung der Fruchtkörper, die besteht aus Tausenden von Zellen, und im Inneren, die die stabförmige bewegliche Zellen differenzieren zu kugelförmig diploiden Sporen8. Beide Arten von Verhalten, d. h., schwärmen und Fruchtkörper Bildung sind nur von Zellen, die auf einer festen Oberfläche ausgeführt. Darüber hinaus engagieren unter beiden Nährstoffverhältnisse Zellen in Prozessen, bei denen unter anderem der Austausch der äußeren Membran Lipoproteine, die Motilität zu stimulieren oder fungieren als Giftstoffe in den Empfänger9,10 direkten Zell-Zell-Kontakte , der Austausch von LPS11, Anregung der Motilität von exopolysaccharide auf benachbarte Zellen12und interzellulären Signale von einer Zelle Oberfläche verankerte Protein13,14-Signalisierung.
Vor kurzem, M. Xanthus inzwischen auch ein Modellorganismus für die Untersuchung der Mechanismen, die Motilität und seine Verordnung15, Zellteilung16,17,18, Chromosom Organisation19 ,20,21. Kritische Schritte in der M. Xanthus Zellzyklus wurden analysiert im Detail durch Fluoreszenz-Mikroskopie mit Snap-Shot Bilder oder kurze Zeitraffer Aufnahmen auf Stämme tragen relevanten eindringmittel markierte Proteine16, 17,18,19,20. Im Idealfall sollte viele Zellen mit einzelligen Auflösung Fluoreszenz live Cell imaging für mindestens eine volle Zellzyklus, robuste quantitative Daten über Zellzyklus-Parameter folgen. Dies ist jedoch eine Herausforderung bei der M. Xanthus aufgrund seiner relativ langen Generationszeit von 4-6 h unter standard Laborbedingungen und Immunofluoreszenz Fluorophore und Phototoxizität während der Bildaufnahme.
Hier beschreiben wir ein Protokoll folgen M. Xanthus Zellen mit einzelnen Zelle Auflösung von Fluoreszenz-Leben-Cell imaging für mindestens 24 Stunden und umfasst mehrere Zelle Zyklen. Wichtig ist, während das gesamte Protokoll Zellen werden auf eine Agar-Pad und in engem Kontakt ermöglicht die Kontakt-abhängige Aktivitäten für die soziale Lebensweise der M. Xanthus. Das Protokoll erlaubt auch Benutzern, Monitor-Form, Größe, Divisionen und fluoreszierende Sonden mit einer hohen zeitlichen Auflösung und mit einer einzelnen Zelle Auflösung und ermöglicht somit die Quantifizierung von Zelle zu Zelle Variabilität und Zusammenhänge des Zellzyklus-Veranstaltungen.
Fluoreszenz live Cell Imaging ist ein mächtiges Werkzeug für die räumlich-zeitliche Dynamik der Bakterienzellen studieren geworden. Time-Lapse Fluoreszenzmikroskopie bewegliche und langsam wachsende Bakterien wie z. B. M. Xanthus, jedoch wurde schwierig und wurde nur für kurze Zeitdauer durchgeführt. Hier präsentieren wir eine einfach zu bedienende und robuste Methode für live Cell Imaging von M. Xanthus von Zeitraffer-Fluoreszenz-Mikroskopie. Diese Methode ermöglicht dem Benutzer, Zellen und Gewebekulturen markierte Proteine über mehrere Runden des Zellzyklus mit einzelligen Auflösung zu folgen.
Es gibt mehrere Voraussetzungen, die Einfluss auf den Erfolg von live-Cell Imaging der langsam wachsenden M. Xanthus Zellen, einschließlich: 1) eine feste Oberfläche für Zellhaftung; (2) die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Sauerstoff; (3) ständige Feuchtigkeit und Temperatur; und 4) die Optimierung der experimentellen Bedingungen wie Belichtung Zeit und Bild-Übernahme-Frequenz.
In unserer Versuchsanordnung verwenden wir Dicke Agarose-Pads mit Nährstoffen ergänzt. Mit dicken Agarose Pads im Gegensatz zu mikrofluidischen Geräten, um einzelne Zellen zu folgen, hat einige grundlegende Vorteile aber auch einige Nachteile. Erstens die Agarose-Pad bietet nicht nur eine Oberfläche für M. Xanthus Zell-Anlage und Bewegung, aber auch ausreichend Nährstoffe für das Wachstum von mindestens 24 h. Zweitens, snap Shot Analysen häufig verwendet, um intrazelluläre Lokalisation der Gewebekulturen markierte Proteine zu studieren war bisher auf die gleiche Art von Agarose-Pads16,17,29. Daher können Daten aus Snap Shot Analysen direkt mit mit dem hier beschriebenen Verfahren gewonnenen Daten verglichen werden. Drittens Agarose-Pads können leicht modifiziert und ergänzt mit Antibiotika oder andere Ergänzungen wie CuSO4 und vanillate, sind weit verbreitet für Gen Ausdruck Induktion18,30. Schließlich, weil Zellen im Laufe eines Experiments Form mikrokolonien berechtigt sind, ermöglicht dieses Set-up auch Untersuchung der Wirkung von direkten Zell-Zell-Interaktionen auf die bestimmten Parameter analysiert wird. Dieser Aspekt ist besonders wichtig im Falle von M. Xanthus weil dieses Bakterium mehrere Kontakt-abhängige Interaktionen angezeigt. Der größte Nachteil dieser Methode ist, dass die experimentellen Bedingungen für die Dauer eines Experiments voreingestellt sind. Hingegen erlaubt mikrofluidischen Geräten im allgemeinen Versuchsbedingungen im Laufe eines Experiments zu ändern, indem man zum Beispiel Antibiotika31.
Kostenlose Software-Pakete (z.B., MicrobeJ, Oufti) stehen automatisch das Wachstum einzelner Zellen und Protein Lokalisierung innerhalb einzelner Zellen zu analysieren. Diese Programme sind jedoch nur gut geeignet für die Analyse von Einzelzellen oder kleine Gruppen von Zellen. So bleibt es eine Herausforderung für die 24 h-Aufnahmen, die hier beschriebenen generierten Daten automatisch zu analysieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, wir beschrieben, eine einfach zu bedienende und reproduzierbare Protokoll ausführen live Cell Imaging mit langsam wachsenden M. Xanthus Bakterien. Wir zeigen, dass einfache Nährstoff ergänzt Agarose-Pads ausreichend sind, um nachhaltiges Wachstum für mindestens 24 Stunden und für die Beobachtung und Analyse von Protein-Lokalisierung und Wachstum mit einer einzelnen Zelle Auflösung über mehrere Generationen hinweg zu ermöglichen.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Transregio 174 “räumlich-zeitliche Dynamik von bakteriellen Zellen” und der Max-Planck-Gesellschaft.
DMI6000B with AFC | Leica microsystems | 11888945 | Automated inverted widefield fluorescence microscope with adaptive focus control |
Universal mounting frame | Leica microsystems | 11532338 | Stage holder for different sample sizes |
HCX PL FLUOTAR 100x/1.30 oil PH3 | Leica microsystems | 11506197 | Phase contrast objective |
Orca Flash 4.0 camera | Hamamatsu | 11532952 | 4.0 megapixel sCMOS camera for picture aquisition |
Filter set TXR ET, k | Leica microsystems | 11504170 | Fluorescence filter set, Ex: 560/40 Em: 645/75 |
Filter set L5 ET, k | Leica microsystems | 11504166 | Fluorescence filter set, Ex: 480/40 Em: 527/30 |
Filter set YFP ET, k | Leica microsystems | 11504165 | Fluorescence filter set, Ex: 500/20 Em: 535/30 |
ProScan III | Prior | H117N1, V31XYZEF, PS3J100 | Microscope automation controller with interactive control center |
EL 6000 light source | Leica microsystems | 11504115 | External fluorescence light source |
Incubator BLX Black | Pecon | 11532830 | Black incubation chamber surrounding the microscope |
Tempcontrol 37-2 digital | Leica microsystems | 11521719 | Automated temperature control for incubation chamber |
Gentmycin sulphate | Carl Roth | 0233.4 | Gentamycin |
Oxytetracylin dihydrate | Sigma Aldrich | 201-212-8 | Oxytetracyclin |
Kanamycin sulphate | Carl Roth | T832.3 | Kanamycin |
Filtropur BT25 0.2 bottle top filter | Sarstedt | 831,822,101 | Bottle top filter for sterilization of buffers |
Deckgläser | VWR | 630-1592 | Glass cover slip (60 x 22 mm, thickness: 0.7 mm) |
Seakem LE agarose | Lonza | 50004 | Agarose for microscopy slides |
Leica Metamorph AF | Leica microsystems | 11640901 | Microscope control software and software for picture analysis |
Tetraspeck Microsperes, 0.5 µm | ThermoFisher | T7281 | Fluorescent microspheres |
petri dish | Greiner Bio-one | 688102 | 120 mm x 120 mm x 17 mm squared petri dish for agarose pads |
BD Bacto Casitone | Becton Dickinson | 225930 | Casitone |
Parafilm M | VWR | 291-1213 | Parafilm |
Tris(hydroxymethyl)-aminomethane | Carl Roth | AE15.2 | Tris |
Magnesium sulphate heptahydrate | Carl Roth | P027.2 | Magnesium sulphate |
Potassium dihydrogen phosphate p.a. | Carl Roth | 3904.1 | Potassium dihydrogen phosphate |
1% CTT medium: 1 % (w/v) BD Bacto™ casitone, 10 mM Tris-HCl ph 8.0, 1 mM potassium phosphate buffer pH 7.6, 8 mM MgSO4 | Cultivation medium for M.xanthus | ||
TPM buffer: 10 mM Tris-HCl ph 8.0, 1 mM potassium phosphate buffer pH 7.6, 8 mM MgSO4 | Buffer for preparation of microscopy slides for M.xanthus |