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Streptomyces are characterized by a complex life cycle that has been experimentally challenging to study by cell biological means. Here we present a protocol to perform fluorescence time-lapse microscopy of the complete life cycle by growing Streptomyces venezuelae in a microfluidic device.
Live-cell imaging of biological processes at the single cell level has been instrumental to our current understanding of the subcellular organization of bacterial cells. However, the application of time-lapse microscopy to study the cell biological processes underpinning development in the sporulating filamentous bacteria Streptomyces has been hampered by technical difficulties.
Here we present a protocol to overcome these limitations by growing the new model species, Streptomyces venezuelae, in a commercially available microfluidic device which is connected to an inverted fluorescence widefield microscope. Unlike the classical model species, Streptomyces coelicolor, S. venezuelae sporulates in liquid, allowing the application of microfluidic growth chambers to cultivate and microscopically monitor the cellular development and differentiation of S. venezuelae over long time periods. In addition to monitoring morphological changes, the spatio-temporal distribution of fluorescently labeled target proteins can also be visualized by time-lapse microscopy. Moreover, the microfluidic platform offers the experimental flexibility to exchange the culture medium, which is used in the detailed protocol to stimulate sporulation of S. venezuelae in the microfluidic chamber. Images of the entire S. venezuelae life cycle are acquired at specific intervals and processed in the open-source software Fiji to produce movies of the recorded time-series.
链霉菌是土栖细菌的特征是由多细胞,营养清除菌丝处于休眠状态,unigenomic孢子1-3涉及形态分化一种复杂的发育周期。
根据有利的生长条件,典型的链霉菌孢子开始通过挤出一个或两个芽管( 图1)发芽。这些管由尖延伸拉长,成长为被称为营养菌丝分枝菌丝网络。极地的增长和菌丝分枝由必需的蛋白质DivIVA执导。此卷曲螺旋蛋白是一个大的胞质复合物的一部分被称为polarisome,这是新的细胞包膜材料的延伸末端4-7插入至关重要。期间的营养生长,菌丝长丝成为由不频繁形成所谓的横壁8的条块。这些跨壁重新形成张塌塌米的FtsZ,微管蛋白样细胞骨架蛋白,其在大多数细菌9为细胞分裂至关重要。在链霉菌中,然而,这些营养横壁不会导致收缩和细胞-细胞分离,因此菌丝质量保持为相互连接的合胞室的一个网络。响应于营养限制和其他信号未得到很好的理解,专门气生菌丝从营养菌丝体脱离并生长到空气中3。这些结构的勃起启动发展的生殖期,在此期间,长的多的基因组的气生菌丝变得分成几十个相等大小unigenomic前孢子隔间。这种大规模的细胞分裂活动是由单一的产孢子菌丝2,10内的多个环的FtsZ的同步收缩驱动。形态分化是处于休眠状态,厚壁,色素孢子释放完毕。
T"FO:保together.within页="1">链霉菌生命周期的关键发育事件都有良好表征1,3。但是,什么是仍然很少是采用荧光延时显微镜提供洞察亚流程支撑的分化,如蛋白质本地化动态,染色体运动和发育控制细胞分裂的细胞生物学研究。 链霉菌的发展活细胞成像已经由于生命周期的复杂性和生物体的生理特征是具有挑战性的。关于营养生长以前的研究和产孢septation的初始阶段已采用氧可渗透成像腔室,或天蓝色链霉菌在显微镜阶段11-15琼脂糖支持增长。这些方法,但是,是由许多因素的限制。一些系统仅允许细胞生长的短期成像细胞前Ð荧光蛋白从供氧不足或患有生长出来焦平面由于菌丝发育的立体图案。在长期成像是可能的,培育在琼脂糖焊盘限制的实验灵活性细胞,因为细胞不能暴露于替代生长或胁迫条件,并从琼脂糖焊盘培养基中的背景荧光严重限制监视弱荧光的能力的情况下信号。
在这里,我们描述了具有优良的精度和灵敏度链完整生命周期的活细胞成像的协议。通过在连接到一个荧光广角显微镜(图2)的微流体装置成长链霉菌 ,我们现在能够监视萌发,营养生长和孢子形成septation超过高达30小时的时间段。这是通过使用新的模式生物链霉菌的极大地促进 venezuelae因为它sporulates在水下文化接近完成,从而克服了传统的模式物种S的限制天蓝色链霉菌 ,其中仅在固体培养基上16-20 sporulates。为了帮助可视化营养生长和产孢,我们共表达荧光标记的细胞极性标记DivIVA和关键细胞分裂蛋白FtsZ的版本。
我们使用的是已被成功用于分枝杆菌, 大肠杆菌 , 谷氨酸棒杆菌,枯草芽孢杆菌和酵母21-25市售微流体装置。该系统能收集在一个单一的焦平面细胞,并且允许从不同的油藏培养基的连续灌流的控制。在详细的协议,我们采取这一特点暴露S. venezuelae营养菌丝营养降档,以促进孢子。
该协议德刻划是整个链霉菌生命周期的活细胞成像,但如果具体的发育阶段是特别感兴趣的,可以选择的替代培养基条件或显微镜的设置。
图2: 示意图描述了实验的工作流程 。在协议中所描述的三个主要步骤被示出。首先,孢子和用过的培养基是从固定相培养物制备。其次,新鲜孢子装入一个微流体系统和S. venezuelae在整个使用其发育的生命周期的全自动倒置显微镜与孵育室以保持最佳生长温度成像。三,获得的延时序列进行分析,并使用开源软件斐济处理。
1.鲜S.隔离venezuelae孢子消耗培养基的制备
2.微流体装置的制备
注意:每个微解放军德允许多达四个独立的实验来进行。为了避免不使用的流室的污染,建立一个实验时使用的无菌溶液和工作条件。
3.显微镜和定时协议的成立
注意:在配备有一个SCMOS照相机,金属卤化物灯,硬件自动对焦,用于96孔板的阶段保持器和一个环境室的全电动和自动化倒置广角显微镜实现此方法。
4.生成时间推移电影使用斐济软件
注意:我们注意到,不同的商业和自由软件包可用于处理时间推移显微镜图像,包括ZenBlue,的Metamorph,ICY,ImagePro或ImageJ的。在这里,我们专注于斐济,这是一个基于ImageJ的一个开放源码的图像处理程序,并已经提供了一些有用的预装插件。
整个S的成功活细胞成像venezuelae生命周期产生一个连续的时间序列包括萌发,营养生长和孢子形成( 图3,电影1)的关键发育阶段。通过生命周期进展的可视化是通过DivIVA-mCherry和FtsZ的-YPet的不同亚细胞定位进一步增强。在发芽和营养生长,DivIVA-mCherry只积聚在生长菌丝提示或标记新形成的分支点( 图4A)。这些结果与的DivIVA 12,26的以前报道的亚细胞定位。与此相反,FtsZ的-YPet形成在生长的菌丝体( 图4B)的不规则间隔单环状结构。这些结构提供了用于非缩窄营养横壁的合成的支架,导致interconn的形成ected菌丝车厢8。菌丝成长成产孢子菌丝的细胞分化的极地DivIVA-mCherry灶消失变为可见,极增长的停滞和FtsZ的-YPet荧光随之增加( 图4C)。在孢子菌丝,FtsZ的-YPet的本土化模式发生巨大变化;第一螺旋的FtsZ-YPet长丝沿菌丝翻滚,然后,在突然的,几乎同步的事件时,螺旋结合成规则间隔的FtsZ-YPet环的一个阶梯。根据这里所述的实验条件下,这些均匀分布的FtsZ-YPet梯子持续约2小时。最后,孢子形成隔片成为微分干涉对比(DIC)图像( 图4D),并最终新孢子被释放可辨。
随后的协议描述使用斐济软件提供作为图像处理 TEP一步是如何产生的动画,从所采集的时间推移系列(电影1)出版物解释。
图3:从代表时间推移荧光显微镜系列 S 的快照图像 venezuelae 产生荧光标记的FtsZ(绿色)和DivIVA(红色)显示的是合并的图像中选择的帧(顶面板:RFP-YFP-DIC,底部面板:DIC)。可视化链霉菌的生命周期,包括萌发,营养生长和孢子形成。图片是从动画1.所用时间为小时:分钟。比例尺= 5微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图4: 一个成功的时间推移系列 链 生命周期 的代表性结果 (A)DivIVA-mCherry的定位。显示的是从电影1与RFP和DIC渠道合并图像的两个连续时间点的快照。 DivIVA-mCherry标志着新的菌丝分支站点(实心箭头头),并在菌丝顶端直接极性生长(开放箭头)本地化。比例尺= 10微米(B)营养生长(箭头)中的FtsZ-YPet定位。的FtsZ-YPet形成单环状结构(上图)不收缩(DIC,下图)。孢子septation期间(C)的FtsZ-YPet(绿色)的本地化。 DivIVA-mCherry灶显示为红色,如下图所示经过时间(小时:分钟)。比例尺:5微米。 (D)从(C)对应的孢子菌丝DIC图像显示窗体前孢子车厢可见孢子隔膜(左图),最终成熟为孢子链(右图)的通货膨胀。时间是小时:分钟。比例尺= 5微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
电影1:定时荧光显微镜系列 委内瑞拉链霉菌 的生命周期 的电影包括合并的RFP-YFP图像(左)和对应的微分干涉对比(DIC)图像(右)。 DivIVA-mCherry显示为红色和FtsZ的-YPet绿色。单个帧之间的时间间隔为40分钟。比例尺= 10微米。 请点击此处查看THI的电影。
链霉菌的生命周期的时间推移显微镜已经在过去的技术挑战。在这里,我们提出了一个强大的协议来执行使用荧光蛋白融合到细胞极性标记DivIVA和细胞分裂蛋白FtsZ的帮助形象化,并通过发展计划的进展跟踪( 图2)的整个生命周期中的活细胞成像。
中央该方法是S的栽培venezuelae在微流体装置,其允许与用过的培养基(花费MYM-TE)恒定介质灌注和正常生长培养基(MYM-TE)的交换。的培养条件的变化是对所描述的协议重要的,因为营养挂低档如在废培养基孔中作为任何尚未鉴定的胞外信号( 例如群体感应信号),促进孢子形成,而营养丰富的培养基的连续供给刺激植物growt(数据未显示)几乎没有任何孢子形成小时。因此,在该微流体系统中培养细胞优于琼脂糖培养细胞,因为它提供了更多的实验灵活性,并且允许响应于改变培养条件中的细菌生长的变化的长期监测。虽然微流体板被设计为一次性使用,流量,但没有接种细胞可在随后的实验中使用的信道。我们建议使用一个星期内的微流控板的所有渠道,我们经历密封歧管已被打开更长的时间片的问题。
当建立一个实验中,我们发现,新鲜制备的孢子发芽的被加载到流槽内放置2小时内,而从冷冻甘油贮存衍生孢子需要至少6小时前芽管出现(数据未显示)。这种延迟在发芽延伸实验的长度,可以与干扰设备的可用性和实验条件。同样重要的是开始与MYM-TE中灌注的实验为至少3小时,以提供足够的营养素芽管的发展和生长。灌注MYM-TE可以超出了最初的3小时,如果实验的目的是研究营养生长进行扩展。而孢子提供原料的优选的选择,短菌丝片段也可以被加载到微流控板。然而,使用剪切菌丝当加载效率显著下,经常需要几个负荷运行审查非孢子的突变体时,其可以呈现出限制。不管使用接种物的类型,不超载与孢子或菌丝片段作为本培养室将导致快速拥挤,可与媒体扩散干扰和图像分析复杂化是重要的。
规划报告蛋白的结构是很重要的carefuLLY在链霉菌中的荧光时间推移成像的使用。靶蛋白和荧光报告和N-或C-末端融合的选择之间接头长度可能是关键性的。此外,最佳实验条件,包括成像频率和曝光时间,需要预先确定每个荧光标记蛋白。S. venezuelae菌丝显示出自发荧光的绿色/黄色通道成像是在低的水平表达荧光标记的蛋白时,可能会成为问题。此外,应该指出的是,发芽和初始营养生长阶段,S期间venezuelae是短波长光( 例如 ,使用蛋白融合到太平洋时)特别敏感。
尽管在成像技术和荧光报道系统细菌的活细胞成像的连续发展,大多数的软件包( 如 MicrobeTracker,Schnitzelc厄尔,CellProfiler),用于这些种类的数据集的后续自动化处理不支持从丝状菌来源的具有多细胞生活方式27-29图像的分析。因此,有必要开发用于从链霉菌属和其他丝状菌成像数据的定量高通量分析的合适算法。
总之,这里所描述的工作表明S的巨大潜力venezuelae作为属的,因为它在液体形成孢子的能力的新的模式的发展系统。微流体培养装置简单,即使没有经验的用户使用。它提供了一个很好的平台,研究中心的链霉菌的生命周期,包括动态蛋白质定位,极化的增长,以及多菌丝形态分化成unigenomic孢子链细胞生物学过程。此外,该实验集U普还提供了一种诱人的起点,调查在开发事件需要交替培养条件,或使用荧光染料的荧光ðα-氨基酸来监测肽合成或碘化丙啶和4',6-二脒基-2-苯基这样(DAPI)以可视化的染色体组织30,31。
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Grant Calder for technical assistance with the microscope, Matt Bush for comments on the protocol, and the John Innes Centre for purchase of the Zeiss widefield microscope. This work was funded by BBSRC grant BB/I002197/1 (to M.J.B), by BBSRC Institute Strategic Programme Grant BB/J004561/1 to the John Innes Centre, by Swedish Research Council grant 621-2010-4463 (to K.F.), and by a Leopoldina Postdoctoral Fellowship (to S.S.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
B04A CellAsic ONIX plate for bacteria cells | Merck-Millipore | B04A-03-5PK | Microfluidic culture plates |
CellAsic ONIX Microfluidic Perfusion System and ONIX FG (version 5.0.2) | Merck-Millipore | EV-262 | The latest ONIX vesion (July 2015) and instructions on how to use the programme can be found here: http://www.merckmillipore.com |
Axio Observer.Z1 Microscope | Zeiss | 431007-9902-000 | Fully automated and motorized inverted widefield microscope |
Incubator XL multi S1 with Temperature Module S1 and Heating unit XL S2 | Zeiss | 411857-9061-000 | Environmental chamber surrounding the microscope |
Plan-Apochromat 100x/1.46 Oil DIC objective | Zeiss | 420792-9800-000 | |
Ocra FLASH 4 V2 | Hamamatsu Photonics K.K. | C11440-22CU | |
Illuminator HXP 120V | Zeiss | 423013-9010-000 | |
FL Filter Set 46 HE YFP shift free | Zeiss | 489046-9901-000 | Fluorescent filter set, excitation 500/25 nm, emission 535/30 nm |
FL Filter Set 63 HE RFP shift free | Zeiss | 489063-0000-000 | Fluorescent filter set, excitation 572/25 nm, emission 629/30 nm |
Mounting frame K-M for multiwell plates | Zeiss | 000000-1272-644 | Stage holder for microfluidic plate |
ZEN pro 2012 | Zeiss | 410135-1002-120 | Microscope control software |
ZEN Module Time Lapse | Zeiss | 410136-1031-110 | Software module to set up time-lapse microscopy experiments |
ZEN Module Tiles/Positions | Zeiss | 410136-1025-110 | Software module to save specific stage positions (xzy) |
Fiji | open-source software package | http://fiji.sc/Fiji | Generation of time-lapse movies |
Maltose-Yeast Exctract-Malt Extract (MYM) 4 g Maltose 4 g Yeast extract 10 g Malt extract add 1 L H2O using 50 % tap water and 50 % reverse osmosis water and supplement with 200 ml of R2 trace element solution per 100 ml after autoclaving | Sporulation medium used to culture S. venezuelae SV60 | ||
R2 Trace element solution (TE) 8 mg ZnCl2 40 mg FeCl3-6H2O 2 mg CuCl2-2H2O 2 mg MnCl2-4H2O 2 mg Na2B4O7-10H2O 2 mg (NH4)6Mo7O24-4H2O add 200 ml H2O Autoclave and store at 4 oC | Add 0.002 volumes to MYM | ||
PBS (phosphate buffered saline) | Sigma | P4417-100TAB | Used to refill inlet wells of unused lanes in B04A plates in order to prepare plate for short-term storage. |
0.22 µm syringe filters | Satorius stedim | 16532-K | Preparation of spent MYM-TE |
SV60 | John Innes Centre strain collection | S. venezuelae strain expressing divIVA-mcherry and ftsZ-ypet |
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