وقد ثبت تحليل تدفق سيتوميتريك قيماً للتحقيق في ثقافات نقية ورصد ديناميات المجتمع الميكروبية. نحن نقدم ثلاث مهام سير العمل شاملة، من أخذ عينات لتحليل البيانات، نقية الثقافات والمجتمعات المعقدة في متوسطة واضحة كذلك كما هو الحال في المصفوفات صعبة، على التوالي.
التحقيق في ثقافات نقية ورصد لديناميات المجتمع الميكروبي أمر حيوي لفهم والتحكم في النظم الإيكولوجية الطبيعية، والتطبيقات التقنية مدفوعا بالكائنات الحية الدقيقة. الجيل التالي تسلسل أساليب تستخدم على نطاق واسع لحل ميكروبيوميس، ولكنها عادة ما تكون الموارد والوقت المكثفة وتقديم معظم المعلومات النوعية. تحليل تدفق سيتوميتريك ميكروبيومي لا تعاني من تلك العيوب ويمكن أن توفر وفرة سوبكومونيتي النسبية والمطلقة أرقام خلية في سطر. على الرغم من أنه ليس توصيل المعلومات النشوء والتطور مباشرة، ويمكن أن يعزز بعمق التحليل والقرار من تسلسل النهج. في تناقض حاد مع التطبيقات الطبية في مجال البحث والإعدادات الروتينية، ما زالت لا على نطاق واسع يستخدم التدفق الخلوي لتحليل ميكروبيومي. المعلومات المفقودة في نموذج البيانات وإعداد تحليل خطوط الأنابيب قد خلق عائقا يحول دون دخول للباحثين تواجه تحديات تحليل ميكروبيومي غالباً ما تكون تطبيقات الخلوي تدفق الكتب المدرسية. هنا، نقدم ثلاث مهام سير العمل الشامل للثقافات نقية، واضحة المجتمعات المعقدة في المجتمعات المتوسطة والمعقدة في المصفوفات صعبة، على التوالي. وصف إجراءات أخذ العينات وتثبيت الفردية، والأمثل تلطيخ البروتوكولات لمجموعات كل منها عينة. علينا وضع تحليل سيتوميتريك مع بحث معقدة محورها وجهاز أعلى هيئة مركزة تطبيق ووصف الخلية الفرز الداخلي وتشير إلى حزم تحليل البيانات. وعلاوة على ذلك نحن اقتراح ضوابط تجريبية هامة وتطبيق عرض مهام سير العمل إلى مجموعات كل منها عينة.
الكائنات الحية الدقيقة تلعب دوراً حيويا في العديد من جوانب الإنسان يعيش. فهي العوامل الحيوية الرئيسية للكواكب الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت دورات1وقانون اللاإنسانية2،3 ، فضلا عن توليف4 المواد البيولوجية الحفازة في مختلف الصناعات، مثل معالجة المياه المستعملة 6– 5 أو التكنولوجيا الحيوية بل أنها تشكل ميكروبيومي البشري، الذي هو التأثير مباشرة على صحة الإنسان والايض7،8. ولذلك، المعلومات المتعلقة بالهيكل والوظيفة والسلوك الديناميكي للكائنات المجهرية، في الاستجابة لبيئتهم المباشرة، أمر ضروري إذا نحن نهدف إلى فهم والتعامل مع هذه النظم. الجيل التالي التسلسل (خ ع) هي التكنولوجيا المتبعة لحل ميكروبيومي هيكل ووظيفة9. ومع ذلك، بتحليل وتقييم البيانات خ ع لا يمكن أن تسفر عن معلومات كمية، وهي لا تزال باهظة التكاليف وتستغرق وقتاً طويلاً ومستعدة لا حال من الأحوال تقديم النتائج في الموقع داخل ممرات الأداء. عرض بعض أنواع البكتيريا مرات جيل أدناه ح 1 والسبب في تغير مستمر الهياكل المجتمعية في بعض البيئات10. عقب هذه الديناميات، استخدام نهج التسلسل سوف تتجاوز القدرة المالية والقوى العاملة من مختبرات علمية أكثر.
على النقيض من ذلك، يمكن أن توفر التدفق الخلوي بصمات الجماعة مشابهة للبيانات خ ع، مع الاحتفاظ كفاءة أعلى في الوقت والعمل والتكلفة. نقدم هنا، تدفق سيتوميتريك تقنيات قادرة على متابعة ديناميات المجتمع الميكروبي في الخط على مستوى الخلية الواحدة. على عكس خ ع، التدفق الخلوي لا توفر معلومات أو انتماء النشوء والتطور في الجينات الوظيفية، ولكن يسلم أرقام الخلية الكمية. استخدام التدفق الخلوي، يمكن حل المجتمعات الميكروبية في الطوائف مع مبعثر الخفيفة المتميزة وخصائص الفلورية (المبعثر إلى الأمام (FSC) والجانب مبعثر (SSC) توفر مؤشرات لحجم الخلية والتفاصيل، على التوالي). يستخدم نهج قدم الغالب حجم الخلية-ومبلغ الحمض النووي المعلومات ذات الصلة التي ترتبط ببعض أنواع الخلايا والدول الفسيولوجية (النمو). محتوى الحمض النووي هو كمياً باستخدام الأشعة فوق البنفسجية-منفعل 4 ‘, 6-دياميدينو-2-فينيليندولي (DAPI) صبغ، الذي يربط المناطق الغنية A-T من الحمض النووي، وحتى يمكن حل اختلاف مستويات صبغية. من خلال الجمع بين DAPI الأسفار ومنتدى التعاون الأمني يمكن التمييز بين الطوائف أكثر من 50 ورصدها لتغيير وفرة أكثر من الساعة11. يمكن أن ترتبط الاختلافات وفرة سوبكومونيتي مع التغييرات في محيطة الصغير-البيئية، مثل درجة الحموضة والمنتج التتر12, مع معلمات العمومية، مثل ال13،الطقس14، أو في حالة القناة الهضمية أو اللعاب ميكروبيوميس مع بعض العلاجات الطبية15. وتكشف هذه الترابطات الطوائف الرئيسية المسؤولة عن وظائف معينة في الشبكة الأيضية للمجتمع ككل. الطوائف الرئيسية يمكن ثم على وجه التحديد الترويج أو قمعها بتغيير الصغرى-البيئات المحيطة بها، أو فرزها لتسلسل اللاحقة15 أو البروتين التحقيق16.
ومع ذلك، المجتمع الميكروبي التدفق الخلوي لم يتم بعد على نطاق واسع تأسيس نظراً لوجود عدد منخفض من تدفق سيتوميتريك أجهزة قادرة على حل السكان الميكروبية أو المجتمعات المحلية بشكل صحيح. وعلاوة على ذلك، الافتقار إلى الخبرة والمجتمع تحليل خطوط الأنابيب والتقييم الفعلي للبيانات قد تشكل عائقا يحول دون دخول للباحثين تحليل التحديات ميكروبيومي. قمنا بإنشاء مهام سير عمل شاملة لمعالجة هذه القضايا. ولإيضاح قابليتها للتطبيق العام، سوف نقدم لهم على ثلاث مجموعات عينة نموذجية (الملف التكميلي 1-S1)، إلا وهي أنا) ثقافة نقية (PC) لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية التي نمت في المتوسط واضحة محددة (Pseudomonas putida كيلوطن 2440 في الجلوكوز)، ثانيا) مجتمع مختبر معقدة في متوسطة واضحة (المجتمع للحماه (ASC) في مياه الفضلات الاصطناعية)، والثالث) مجتمع معقد من البيئات الطبيعية في مصفوفة كثيفة (الغاز الحيوي في المجتمع (قبل الميلاد) في سيلاج الذرة).
وهناك عدة عوامل تؤثر على اختيار البروتوكول لكل من هاتين المجموعتين عينة. تجميد عميق فورجوس استخدام المواد الكيميائية السامة ولكن معظمها يقتصر على بيئات المعمل بسبب الاستخدام النتروجين السائل صقيع الصدمة. الاستقرار فورمالدهايد واللاحقة الإيثانول التثبيت تسمح العينات المجمعة دون الحاجة إلى إعداد الكوة وقد ثبت أن تكون مستقرة على مدى فترات طويلة. ومع ذلك، قد تكون عينات الغنية بالبروتين مثل اللعاب البشري15 إشكالية، فلكس البروتين، ديناتوريزيد من الفورمالديهايد، قد تسبب إشارة سلبية لنسب الضوضاء. تجفيف العينة سوف تتخذ معظم الوقت (حوالي 1 ح في المجموع) من الإجراءات في هذه المقارنة، ولكن يمكن إجراؤها على الموقع دون المواد الكيميائية السامة. غلة الكريات مستقرة في أنابيب، والتي يمكن شحنها بسهولة دون احتياطات الإخطار التبريد أو إضافية. بالإضافة إلى ذلك، تم الكثير من أساليب التثبيت البديل المقترح11. ونحن ننصح بشدة اختبار استقرار القرار وتثبيت بروتوكولات مختلفة عند عرض مجموعة نماذج جديدة.
كنا اثنين تدفق مختلفة سيتوميتيرس لتحليل المجموعات: ط) بحوث متطورة جداً وباهظة الثمن، محورها أرز الخلية والثاني) تطبيق ركزت مقاعد البدلاء أعلى محلل الذي يبدو أكثر ملاءمة للتطبيق في الموقع5. وتم قياس BC مع محلل أعلى مقاعد البدلاء، بينما قيست بجهاز الكمبيوتر والرابطة مع أرز الخلية. تحليل العينة المثالية ثلاث مجموعات الإجراءات المختلفة المطلوبة لإمكانية تكرار نتائج محسنة وعينه الاستقرار والراحة سير العمل. سيتم تحديد البروتوكول التالي المقاطع لثلاثة أنظمة مختلفة.
يتطلب إجراء تحليل ناجحة وجماعات السكان الميكروبية سيتوميتيرس ضبطها جيدا وخيارا ملائماً لمعلمات الخلية وسير عمل موثوق بها من أخذ العينات وتثبيت نحو تقييم البيانات والقياس. يجب أن يتعيشن المعلمات الخلية المحددة مع أطوال موجية الإثارة المتوفرة. ونحن نستخدم ويوصي DAPI، وحساسة للغاية بتركيزات منخفضة؛ لكن يجب أن يكون متحمس بالأشعة فوق البنفسجية-ليزر، التي عادة ما تتألف ليس في الهياكل سيتوميتير القياسية. صبغات أخرى، مثل سيبر الأخضر أنا، أيضا وصمة عار شعوب بأكملها أو المجتمعات ولكن عموما تقديم قرارات أقل شأنا. لا نوصي باستخدام إجراءات الأسماك أو اختبارات السلامة في المجتمعات الميكروبية. هذه النهج من المستحيل للتحديد الكمي والتحقق منها والتحكم بسبب آثارها على الأنواع الفردية في المجتمع غير مؤكد. لا يمكن موثوق بها اختبار، طالما أن نسبة كبيرة من المجتمعات التقليدية لا تزال غير متوفرة كثقافة نقية.
وتشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول إجراءات أخذ العينات والتثبيت، فضلا عن فرز الخلايا. يمكن معقدة أخذ العينات بنزوع بعض نقية الثقافات والمجتمعات الميكروبية تجميع إلى فلكس أو التمسك بالجزيئات مصفوفة عينة. من الضروري تبديد هذه المجاميع، وفصل الخلايا في عينة قبل إدخالها لتحليل تدفق سيتوميتريك لضمان نتائج موثوقة. كانت الأمثل البروتوكولين المتعلقين بإعداد عرض لتمكين تحليل خلية مفردة. ويتم ترشيح نهائي 50 ميكرومتر قبل القياس إلى إزالة أي مجاميع المتبقية وتمنع انسداد فوهة ميكرومتر 70 من فارز الخلية وومبومو تدفق من المحلل. فلكس الخلية من محطات معالجة مياه الصرف الصحي خاصة وفيرة وقوية وحيوية لوظيفة النظام. نحن التحقيق العوالق والرواسب على أساس المجتمعات الميكروبية في خزانات مختلفة من محطة لمعالجة المياه العادمة واسعة النطاق، لاختبار البروتوكول المعمول. وظلت مستقرة الحمأة تشكيل خلية وضوح تبدد المجاميع وتكوين المجتمع. وعلاوة على ذلك، أظهرت المجتمعات العوالق والمستندة إلى حماة الرائعة التشابه بينهما في جميع عينات ثلاث دبابات (الرقم 8، “الملف التكميلي” 1-S10). تم التحقق من هذه النتائج بالتسلسل amplicon المتاشب 16S النسبية الطازجة-، فورمالدهايد-المعالجة، تركز اهتمامها فورمالدهايد والإيثانول-، و عينة مفروزة10. ومع ذلك، تحديا غير عادي العينات البيئية، مثل الأغشية الحيوية القوية أو البكتيريا التي تنمو في سلاسل اتصال محكم، ويمكن أن تكون مستحيلة لتبديد. عينات التربة يمكن أن يكون إشكالياً، كما يظهر في الرسم البياني الجسيمات في كل مكان ويمكن أن تحجب الخلايا بوفرة محض. في مثل هذه الحالات، يلزم التسلسل التقليدي أساليب تطبيقها.
وينبغي اختبار استقرار التثبيت لكل نموذج مجموعة جديدة قبل تصميم التجربة لضمان صحة النتيجة. كما تمكن حسن تثبيت الاستقرار تلطيخ المجمعة والقياس من نقاط متعددة في الوقت عينة في يوم واحد. وعلاوة على ذلك تمكن القياسات النسخ المتماثل وخلية استعادية الفرز من النقاط الزمنية الحاسمة بعد إبرام والتقييم النهائي للتجربة. تم التحقق من تثبيت الاستقرار في ثقافة نقية أكثر من 28 يوما (الشكل 9). للتجارب في الموقع بما في ذلك نموذج النقل، ينبغي اختبار تثبيت الاستقرار على مدى فترات أطول (في هذه الحالة، 60 يوما بالنسبة للمجتمع للحماه، 195 يوما للمجتمع الغاز الحيوي، و “الملف التكميلي” 1-S9).
تلطيخ عادة ليست إشكالية ولكن يلزم التحكم مع معيار بيولوجية للسماح بتطبيق أدوات التقييم بيوينفورماتيك. قمنا باستخدام سلالة صورية BL21 كولاي (DE3)، التي كانت تركز اهتمامها ووفقا لبروتوكول ASC وتخزينها للاستخدام في كل دفعي المصبوغة.
وبصرف النظر عن DAPI، “الأخضر سيبر” أنا طبقت بنجاح حل المجتمعات الميكروبية لعدة سنوات14،،من2324،،من2526. الأخضر سيبر يتمكن من حل المجتمعات إلى مجموعات فرعية عالية ومنخفضة من الحمض النووي (حنا و LNA) باستخدام خلايا حية في طريقة على إنترنت. DAPI، ومع ذلك، أكثر تحديداً في الملزمة بالحمض النووي ويتيح تمييز الطوائف ما يزيد على 50 في مجموعة عينة واحدة لكن يتطلب خطوة تثبيت قبل تلوين.
الخلية الفرز هو سمة بارزة لهذا النهج، ويمكن تطبيقها إذا كانت بعض الطوائف من المزيد من الاهتمام. من الضروري التأكيد على أن لا منهاج عمل بيجين-(أداء لمدة 30 دقيقة فقط) ولا العلاج الإيثانول أو DAPI تلطيخ10 كان له تأثير سلبي على تسلسل amplicon 16S اللاحقة. التأثيرات المحتملة للتثبيت وتلطيخ الإجراءات المتعلقة ميتاجينومي سوبكومونيتي التحليلات لا تزال بحاجة إلى اختبار.
كثير من المعلومات عن وظائف المجتمع وديناميات الاتجاه يمكن الحصول عليها مستقلة عن النهج الفرز عندما تشمل الأدوات المعلوماتية الحيوية التي حل ميزات المجتمع على مستوى خلية بخلية افتراضية والاتصال هذه الميزات مع اللاأحيائية معلمات.
في الآونة الأخيرة، عددا من جديد أدوات التقييم المعلوماتية الحيوية، كلها مفيدة لكلا سيبر الأخضر الأول والنهج DAPI، قد وضعت لحل سيتوميتريك أنماط المجتمع. هذه هي فلووفب27، العبوات المستخدمة في هذه الدراسة (فلووتشيك20، فلووسيبار28)، نموذج deconvolution أنشئت مع مجتمعات المياه العذبة29 وأداة تستخدم لتميز سلالات وفقا لما الفسيولوجية 30من الخصائص. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون التنوع سيتوميتريك العزم25 والاستقرار حتى خصائص المجتمعات الميكروبية يمكن أن يتبع الآن مع أداة على إنترنت10.
وهكذا يكون تحليل تدفق سيتوميتريك ميزة كبيرة عندما يتعلق الأمر للتقييم السريع للمجتمعات الميكروبية والارتباطات المعلمة اللاأحيائية الممكنة. ومع ذلك، لا تزال هناك قيود للأسلوب. فإنه لا يمكن تطبيق حقاً على الإنترنت باستخدام أداة فلووسيبار، بسبب إجراءات إعداد بوابة استناداً إلى الخبرة. وعلاوة على ذلك، ستعزز تنمية سيتوميتيرس تدفق مصنوعة خصيصا، وسهلة الاستخدام إلى حد كبير انتشار نهج التحليل ميكروبيومي سيتوميتريك تدفق. الخطوات الأولى في هذا الاتجاه هي التي تعهدت بها28.
يمكن تصور التطبيقات المستقبلية لقياس تدفق الميكروبية في الإيكولوجيا الميكروبية، كما أنها تتيح رصد عالية التردد داخل نطاق مرات جيل البكتيرية وقد ثبت أن نماذج بيئية قابلة للتطبيق إلى البيانات سيتوميتريك5 ،10. الأسلوب مفيد جداً للفحوصات الروتينية للبيئات الطبيعية مثل ضوابط إلزامية من مياه الشرب في سويسرا31. فإنه يمكن أيضا أداة قيمة للتطبيقات الطبية مثل15 من البشرية أو الحيوانية32 ميكروبيومي الفحص. وبالإضافة إلى ذلك، قد تمكن آخر التطورات في المعلوماتية الحيوية الميكروبية التدفق الخلوي يكون جهاز استشعار لا يتجزأ في الضوابط العملية للنظم الميكروبية المدارة. كما يوفر المجتمع الميكروبي الخلوي أداة فرز لفرز الخلايا، تتيح دقة أعلى التحقيقات الجينوم لمجموعات فرعية محددة من المجتمع.
The authors have nothing to disclose.
ونعترف مع الامتنان يان مايكل وقوة يوتينج لتوفير الإجراءات ومجموعات بيانات ثقافة نقية والمجتمع للحماه، على التوالي. ونشكر كذلك كاترين Mörters لتحليل عينات المجتمع الغاز الحيوي. تم تمويل هذا العمل من هاء حمايتهما ناتشواتشسيندي فاتشاجينتور V. (FNR، مشروع الغاز الحيوي-بصمة Nr. 22008313) بالنيابة عن الوزارة الاتحادية الألمانية للأغذية والزراعة (بميل)، “برنامج الابتكار المركزية” “المؤسسات الصغيرة والمتوسطة” (زيمبابوي) من الوزارة الاتحادية الشؤون الاقتصادية والطاقة (بموي) (وآينار-أبوس، 16KN043222)، Deutsche Bundesstiftung Umwelt (الدنمركي، اللغات عند الطلب المشروع فون Phosphatdünger أسترالي ريستستوفين فون براويري und Kläranlage 33960/01-32)، قامت الوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم و البحوث (الألمانية) (فزك 03XP0041G)، وتوجها نحو برنامج تمويل “الرابطة هلمهولتز” (POF R31 الثالث الموضوع 3 الطاقة الحيوية).
Milli-Q system Synthesis A10 | Merck, Darmstadt, (GER) | ||
BioPak Ultrafiltration Cartridge | Merck, Darmstadt, (GER) | CDUF BI0 01 | |
MoFlo Legacy cell sorter | Beckman-Coulter, Brea, California (USA) | ||
Innova 90C | Coherent, Inc , Santa Clara (USA) | 334 nm – 364 nm, 100 mW | |
Innova 70C | Coherent, Inc , Santa Clara (USA) | 488 nm, 400 mW | |
Genesis MX488-500 STM OPS | Coherent, Inc , Santa Clara (USA) | 488 nm, 400 mW | |
Xcyte CY-355-150 | Lumentum, Milpitas, California, USA | 355 nm, 150 mW | |
Photomultiplier tubes R928 and R3896 | Hamamatsu Photonics, Hamamatsu City (Japan) | ||
Summit 4.3 software | Beckman-Coulter, Brea, California (USA) | ||
1 µm FluoSpheres | Molecular Probes, Eugene, Oregon (USA) | F8815 | 350/440 blue fluorescent |
2 μm YG FluoSpheres | Molecular Probes, Eugene, Oregon (USA) | F-8827 | 505/515 yellow-green fluorescent beads |
0.5 μm Fluoresbrite BB Carboxylate microspheres | PolyScience, Niles, Illinois (USA) | 18339 | 360/407 |
1 μm Fluoresbrite BB Carboxylate microspheres | PolyScience, Niles, Illinois (USA) | 17458 | 360/407 blue fluorescent |
1 µmYG FluoSpheres | Molecular Probes, Eugene, Oregon (USA) | F-13081 | 505/515 yellow-green fluorescent beads |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich, St. Louis (USA) | CAS no. 7778-77-0 | |
KCl | Sigma-Aldrich, St. Louis (USA) | CAS no. 7447-40-7 | |
Cyflow Space | Sysmex Corporation, Kobe (Japan) | ||
UV Laser Genesis CX, | Coherent, Inc , Santa Clara (USA) | 355 nm, 150 mW | |
H6779-32 series PMTs | Hamamatsu Photonics, Hamamatsu City (Japan) | ||
FloMax software | Sysmex Partec GmbH, Görlitz, (GER) | ||
all optical filters | Carl Zeiss, Jena (GER) | ||
KH2PO4 | Sigma-Aldrich, St. Louis (USA) | CAS no. 7778-77-0 | |
KCl | Carl Roth, Karlsruhe (GER) | 6781.3 | |
FlowJo 10.0.8r1 | FlowJo, LLC, Ashland, Oregon (USA) | Build number: 42398 | |
R-software v.3.4.3 | R Core Team | ||
flowCHIC | http://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/html/flowCHIC.html | ||
flowCyBar | http://www.bioconductor.org/packages/devel/bioc/html/flowCyBar.html |