التكيف في أقصى درجات الحياة: التطور التجريبي مع الأركيون المتطرف Sulfolobus acidocaldarius

Summary

هنا ، نقدم بروتوكول تطور تجريبي للتكيف في المحبة للحرارة باستخدام خلاطات حرارية منخفضة التكلفة وموفرة للطاقة كحاضنات. يتم توضيح هذه التقنية من خلال توصيف التكيف مع درجة الحرارة في Sulfolobus acidocaldarius ، وهو أثري بدرجة حرارة نمو مثالية تبلغ 75 درجة مئوية.

Abstract

برز الأركيون Sulfolobus acidocaldarius كنظام نموذجي واعد للحرارة. يعد التحقيق في كيفية تكيف المحبة للحرارة مع درجات الحرارة المتغيرة مطلبا رئيسيا ، ليس فقط لفهم العمليات التطورية الأساسية ولكن أيضا لتطوير S. acidocaldarius كهيكل للهندسة الحيوية. تتمثل إحدى العقبات الرئيسية أمام إجراء التطور التجريبي مع المحبة للحرارة في تكلفة صيانة المعدات واستخدام الطاقة للحاضنات التقليدية للنمو في درجات الحرارة العالية. لمواجهة هذا التحدي ، يتم تقديم بروتوكول تجريبي شامل لإجراء التطور التجريبي في S. acidocaldarius ، باستخدام خلاطات حرارية منخفضة التكلفة وموفرة للطاقة. يتضمن البروتوكول تقنية استزراع دفعي بأحجام صغيرة نسبيا (1.5 مل) ، مما يتيح تتبع التكيف في سلالات مستقلة متعددة. هذه الطريقة قابلة للتطوير بسهولة من خلال استخدام خلاطات حرارية إضافية. مثل هذا النهج يزيد من إمكانية الوصول إلى S. acidocaldarius كنظام نموذجي عن طريق تقليل كل من الاستثمار الأولي والتكاليف الجارية المرتبطة بالتحقيقات التجريبية. علاوة على ذلك ، يمكن نقل هذه التقنية إلى أنظمة ميكروبية أخرى لاستكشاف التكيف مع الظروف البيئية المتنوعة.

Introduction

قد تكون الحياة المبكرة على الأرض قد نشأت في بيئات قاسية ، مثل الفتحات الحرارية المائية ، والتي تتميز بدرجات حرارة وحموضة عالية للغاية¹. تستمر الميكروبات في العيش في البيئات القاسية ، بما في ذلك الينابيع الساخنة والصولفاتارا البركانية. إن توصيف الديناميات التطورية التي تحدث في ظل هذه الظروف القاسية قد يلقي الضوء على العمليات الفسيولوجية المتخصصة التي تمكن من البقاء على قيد الحياة في ظل هذه الظروف. وقد يكون لذلك آثار واسعة النطاق، من فهمنا لأصول التنوع البيولوجي إلى تطوير إنزيمات جديدة ذات درجة حرارة عالية مع تطبيقات التكنولوجيا الحيوية.

لا يزال فهم الديناميات التطورية الميكروبية في ال....

Protocol

1. تحضير وسط نمو S. acidocaldarius (BBM ⁺)

ملاحظة: لزراعة S. acidocaldarius ، يستخدم هذا البروتوكول وسط بروك القاعدي (BBM ⁺) ²³. يتم إعداد ذلك من خلال الجمع أولا بين حلول المخزون غير العضوية الموضحة أدناه لإنشاء ^BBM− ، والتي يمكن إعدادها مسبقا. ثم يتم تحضير BBM⁺ حسب الحاجة عن طريق إضافة حلول المخزون العضوي إلى BBM⁻. يتم عرض وصفات حل الأسهم أيضا في الجدول 1. يجب تحضير جميع حلول الوسائط والمخزون في H₂O المقطر المزدوج (ddH₂O).

1. إعداد حلول المخزون غير....

النتائج

قياسات منحنى النمو
منحنيات النمو ل S. acidocaldarius DSM639 موضحة في الشكل 3A. وجد أن النمو متشابه عند مقارنة الحضانة باستخدام الخلاطات الحرارية مع تلك الموجودة في الحاضنات التقليدية. تم تقدير متوسط معلمات معدل النمو عن طريق تركيب منحنى لوجستي لكل من.......

Discussion

طور هذا العمل بروتوكول تطور تجريبي لمحبي الحرارة ، مصمم هنا ل Archaion S. acidocaldarius ، ولكنه قابل للتكيف مع الميكروبات الأخرى ذات متطلبات النمو ذات درجات الحرارة العالية. يعتمد هذا البروتوكول على التقنيات المصممة في البداية للبكتيريا متوسطة الحجم ولكن تم تعديلها خصيصا للت.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.22 μm syringe-driven membrane filters	StarLab	E4780-1226	For filter sterilising media components that cannot be autoclaved.
1 μL inoculation loops	Greiner	731161, 731165, or 731101	For inoculating cultures. Other loops can be used.
1000 μL pipette tips	StarLab	S1111-6811	Other pipette tips can be used.
2 mL microcentrifuge tubes	StarLab	S1620-2700	For culturing S. acidocaldarius in thermomixers.
200 μL pipette tips	StarLab	S1111-0816	Other pipette tips can be used.
50 mL polystyrene tubes with conical bottom	Corning	430828 or 430829	Other tubes may be used. Check performance at 75 °C. Tubes with plug seal caps may not allow sufficient aeration; check before using.
50 mL syringe	BD plastipak	300865	For use with syringe-driven filters.
96 well microtitre plates (non-treated, flat bottom)	Nunc	260860	For measuring OD at 600 nm in spectrophotometer.
Adjustable width multichannel pipette	Pipet-Lite	LA8-300XLS	Optional, but saves time when transferring between microcentrifuge and 96 well plates.
Ammonium sulfate ((NH4)2SO4)	Millipore	168355	For Brock stock solution I.
Autoclave	Priorclave	B60-SMART or SV100-BASE	Other autoclaves can also be used.
Breathe-EASY gas permeable sealing membrane	Sigma-Aldrich	Z763624-100EA	Cut to size to use on pierced microcentrifuge tubes. If substituting other gas permeable memrbanes, ensure performance is adequate at 75 °C
Calcium chloride dihydrate (CaCl2·2H2O)	Sigma-Aldrich	C3306	For Brock stock solution I.
CELLSTAR Six well plates (suspension/non-treated)	Greiner	M9062	Other manufacturers' six well plates can likely be substituted. Check performance at high temperatures.
Cobalt(II) sulfate heptahydrate (CoSO4·7H2O)	Supelco	1025560100	For Trace element stock solution.
Copper(II) chloride dihydrate (CuCl2·2H2O)	Sigma-Aldrich	307483	For Trace element stock solution.
D-(+)-glucose anhydrous (C6H12O6)	Thermo Scientific Chemicals	11462858	Other pentose and hexose sugars may also be used (e.g. D-xylose, D-arabinose). Glucose is not a preferred carbon source for S. acidocaldarius (SV Albers, personal communication)
Double-distilled water (ddH2O)
Gelrite	Duchefa Biochemie	G1101.1000	Gelrite (gellan gum) is used in place of agar to make solid media due to its higher melting point.
Glass 100 mm Petri dishes	Brand	BR455742	Glass Petri dishes are used because most standard polystyrene 90 mm Petri dishes deform at 75 °C (brand-dependent). Alternatively, six well plates can be used as these do not deform at high temperatures.
Incubator	New Brunswick	Innnova 42R	Other incubators can also be used. Check the operating temperature for equipment prior to purchase/use, as many incubators are not capable of temperatures higher than 65°C.
Iron(III) chloride hexahydrate (FeCl3·6H2O)	Supelco	103943	For Fe Stock Solution
Magnesium sulfate heptahydrate (Epsom salt) (MgSO4·7H2O)	Sigma-Aldrich	230391	For Brock stock solution I.
Manganese(II) chloride tetrahydrate (MnCl2·4H2O)	Sigma-Aldrich	SIALM5005-100G	For Trace element stock solution.
Mini Smart Wi-Fi Socket, Energy Monitoring	Tapo	Tapo P110	To monitor energy consumtion
N-Z-Amine A - Casein enzymatic hydrolysate	Sigma-Aldrich	C0626-500G	N-Z-Amine-A is used as a source of amino acids.
Paper clip (or other sturdy wire)	none	none	For piercing 2 mL microcentrifuge tubes.
Potassium dihydrogen phosphate (Monopotassium phosphate) (KH2PO4)	Sigma-Aldrich	P0662	For Brock stock solution I.
Promega Wizard Genomic DNA Purification Kit	Promega	A1120	Optional, to extract genomic DNA in the lab
Sodium molybdate dihydrate (Na2MoO4·2H2O)	Sigma-Aldrich	M1651-100G	For Trace element stock solution.
Sodium tetraborate decahydrate (Borax) (Na2B4O7·10H2O)	Sigma-Aldrich	S9640	For Trace element stock solution.
Spectrophotometer	BMG	SPECTROstar OMEGA	For measuring OD at 600 nm. Other spectrophotometers that can read OD at 600 nm can be used.
Sulfuric acid (Diluted in a 1:1 ratio with water) (H2SO4)	Thermo Scientific Chemicals	11337588	Used to adjust pH of Brock stock solution II/III to a final pH of 2–3.
Thermomixer	DLab	HM100-Pro	Other thermomixers can also be used; key consideration is the ability to maintain 65–75 °C temperatures and 400 RPM
Uracil (C4H4N2O2)	Sigma-Aldrich	U0750	Deletion of pyrE is a common genetic marker used in S. acidocaldarius. Deletion strains must be supplemented with uracil for growth. Supplementation is not strictly required for the DSM639 wild-type strain, but is included here as future experiments may involve deletion strains.
Vanadyl sulfate dihydrate (VOSO4·2H2O)	Sigma-Aldrich	204862	For Trace element stock solution.
Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4·7H2O)	Sigma-Aldrich	221376	For Trace element stock solution.