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我们提出了一种定量单个酵母细胞的生长表型的方法,它们使用称为酵母生活阵列的单细胞倍增评估(ODELAY)的延时显微镜在固体培养基上生长成菌落。可以直接观察和量化生长到菌落中的遗传相同细胞的群体异质性。
微生物的生长表型是其潜在遗传适应性的强指标,可以分为3个生长方式:滞后期,对数期和稳定期。每个生长阶段可以揭示与各种环境和遗传条件相关的适应性的不同方面。通常难以获得所有3个生长阶段的高分辨率和定量测量。在这里,我们提供一种详细的方法来表征固体培养基上所有3个生长阶段,使用称为酵母生活阵列的单细胞倍增评估(ODELAY)的测定法。 ODELAY使用延时显微镜量化生长在固体培养基上的菌落中的个体细胞的生长表型。这种方法可以直接观察生长在殖民地的遗传相同细胞中的每个生长参数的种群异质性。这种群体异质性为理解遗传和表观遗传调控以及对其的反应提供了独特的视角遗传和环境扰动。虽然使用酵母证明了ODELAY方法,但它可以用于通过明视野显微镜可见的任何集落形成微生物。
微生物的生长表型是对其给定环境条件的潜在遗传适应性的强指标。生长经典地分为3种不同的生长方式:滞后期,对数期和稳定期生长1 。每个生长阶段可以揭示依赖于各种环境和遗传条件的适应性的不同方面。例如,延迟时间或生物体在指数生长开始之前在滞后阶段中花费的时间长度可以指示生物体对改变的环境条件作出反应的能力2 。对数期生长期间的双倍增长是细胞适应度最常见的指标,揭示了生物体通过代谢和利用环境材料进行复制分裂能力的总体效率。固定阶段,在对数阶段之后的增长迅速减少,是健身的另一个指标,这是正常的在基于斑点的酵母生长测定中被用作生长终点。
目前有几种酵母生长测定可用,并且被认为是在酵母3,4,5中评价生长表型的标准方法。这些测定主要基于在固体或液体培养基中生长酵母的方法。在固体培养基上,菌落钉扎测定将少量细胞转移到具有针的固体琼脂上,使酵母细胞生长一段规定的时间。然后将殖民地成像,并在终端6比较其大小。这些集落钉扎测定已被证明是鲁棒和可扩展的,以产生全基因组屏幕。最近,使用平板扫描仪和单镜反射(SLR)相机的定期成像已被纳入这些测定中,以记录随时间的集落增长7,8, 9 。然而,这些装置的分辨率阻止它们检测单个细胞,因此,这些集落钉扎测定法不直接观察滞后时间,并且不能观察到生长到菌落中的各个细胞之间的变化。
基于液体的生长测定也已被用于进行全基因组筛选3 。用延时显微镜耦合液体生长测定显示遗传相同的个体细胞倍增时间的群体异质性,这为理解遗传调节和环境适应提供了重要的视角。然而,该测定不测量生长的其它方面,例如滞后时间和承载能力10 。在这里,我们提出一种方法来表征在固体培养基上形成菌落的微生物的所有三个生长阶段,使用我们的术语ODELAY 11 。 ODELAY由utili组成zing高通量延时显微镜记录在固体培养基上生长成菌落的单细胞的图像。生长在殖民地的单个细胞群体揭示了潜在的种群异质性,其不被其他较不敏感的测量(例如终端终点评分)检测到。我们展示酵母的方法,但是ODELAY可以应用于在明场显微镜中显示对比度的任何生物体。
琼脂糖凝胶库的制备
准备ODELAY琼脂糖介质
ODELAY文化准备
4.使用自动液体检测机器人检测琼脂
5.在显微镜上运行ODELAY
6.处理ODELAY数据
在延时显微镜中生长的酵母的实例图像显示在图3B中 。处理延时图像后,比较酵母菌株BY4741&BY4742的代表性数据集显示在图4中 。在该示例数据集中,板上不同位置之间的倍增时间几乎没有变化。如果琼脂糖培养基的制备不好,则在与琼脂糖凝胶的变形区域重合的斑点位置上,倍增时间和滞后时间都会明显的偏差。虽然倍增时间似乎相对均匀,但该示例显示了滞后时间测量的变化。更一致的数据集如图6所示。在该数据集中,滞后时间和倍增时间均匀。
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图1:琼脂模组装。
琼脂模具的组分如( A )所示。如( B )所示组装底座,然后用小的夹子夹住底座。将更长的立柱放在基座( C )的空腔中,然后将滑块固定在模具上,如( D )所示。侧视图示出了用于使琼脂与玻片( E )一致分离所需的模具的角度和模切口的取向。注意拇指和食指的位置,以及与幻灯片( F )分离的琼脂直线,注意水平箭头。分离线应沿垂直方向均匀移动。 请点击此处查看此图的较大版本。
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图2:超声处理和检测方法。
在冰水中超声波处理板,并使用离心机斗架来帮助支撑板( A )。将平板从步骤3.8.1排出,以便点样到琼脂糖板( B )上。此外,安排这些尖端使得最左边的尖端盒在位置C10处具有一个尖端,然后将四个其它尖端切断,使得它们不会撞击板支架( C )。将剩余的提示放在四个盒子中,使内部24个提示位置被占用( D )。 请点击此处查看此图的较大版本。
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图3:ODELAY图形用户界面。
"ODELAY_Microscopecontrol.m"( A )的图形用户界面的屏幕截图。该界面允许监控摄像机并调整显微镜照明设置,以实现荧光和亮场模式。红色箭头指向对焦和传输按钮,激活相机快速获取图像并分别打开传输的光闸。蓝色箭头用于移动原点的舞台,然后使用"Go Origin"按钮和"Set"按钮设置原点。绿色箭头指向"重置"和"ODELAY !!!"将ODELAY图像模式重置为当前条件并启动ODELAY图像采集的按钮。点样后0,3,6和9小时在固体培养基上生长的酵母的延时图像( B )。 "ODELAY_IPT.m"的图形用户界面的屏幕截图 e ODELAY图像处理工具( C )。 请点击此处查看此图的较大版本。
图4:ODELAY输出示例。
该数据集在YPD培养基上比较菌株BY4741和BY4742。这个数字是一个精心准备的琼脂糖幻灯片的例子;但是,自动对焦设置不是最佳的。从左到右的每一列中提供的数据是:殖民地区Log 2的承载能力;倍增时间,以分钟为单位;和滞后时间,以分钟为单位。在这个例子中,琼脂上的所有斑点的倍增时间都很顺利,少量的加倍的时间朝向色谱柱。然而,这个数据集的滞后时间有很大差异。_upload / 55879 / 55879fig4large.jpg"target ="_ blank">请点击此处查看此图的较大版本。
图5:增长曲线示例。
这个例子说明了较差的初始焦点可能导致估计的滞后时间(t lag )增加( A ),而相邻位置显示较短的滞后时间( B )。 t d是以min为单位的加倍时间,t lag是以分钟为单位的滞后时间。 请点击此处查看此图的较大版本。
图6:执行试验实验的例子。
一个e在使用二极管照明器替换钨卤素灯泡后测试BY4742应变的样本,并确保自动对焦设置正确。所有倍增时间看起来都很好重叠,滞后时间似乎是一致的。 请点击此处查看此图的较大版本。
ODELAY测定法具有确保可重现和可靠的表型测量的几个关键点。第一个关键点是酵母培养物的一致准备。必须注意从对数生长收获酵母细胞。如果文化饱和,那么他们的群体异质性将会增加,这可能会混淆由遗传或环境( 例如碳源)因素11引起的异质性。第二个关键点是媒体的一致准备。一般来说,应该产生大量的10X股票媒体解决方案,然后随着时间推移使库存效应最小化。通过重量制备培养基,尽可能通过确保琼脂糖的密度和琼脂糖的总体含水量得以密切监测,有助于提高培养基随时间的一致性。第三个关键点是最小化或消除琼脂糖我的任何机械变形直径。介质的机械变形通常会在分离琼脂糖与玻璃片时发生。与许多实验室技术一样,需要实践来掌握这一步骤。
如图4所示的滞后时间的变化通常与三个因素之一有关:琼脂糖介质的机械变形,模制琼脂厚度的变化或不稳定的光源。如果琼脂糖介质在斑点阵列上的Z高度变化,则高度变化可能会压倒自动对焦程序的范围,导致初始图像稍微偏离焦点。因此,检查中心点和点阵列边缘的多个点处的对焦高度,以确保自动对焦程序具有足够的Z范围来找到焦点。如果需要,使用自动对焦面板增加对焦范围并增加对焦步骤的数量。
第三个可能的条件可能导致焦点不足的离子是不稳定或闪烁的光源,这可能会破坏特定Z高度的计算焦点得分。在灯泡烧坏之前,钨卤素灯泡会很好地闪烁。在其中生长曲线在第一和第二时间点( 图5A )之间下降的一个实例中观察到不良焦点的影响,而相邻点不具有相同的浸渍( 图 5B )。在这种情况下,通过更换卤素卤素光源可以减轻对焦条件差。
在实践中,作者发现,为了减少100W钨卤素灯泡的闪烁,当显微镜被大量使用时,灯泡需要每500小时或大约每2个月更换一次。为了避免闪烁的灯泡引起的焦点不足,请经常更换钨卤素光源或用二极管光源替换卤素灯泡。一个在图6中示出了在倍增时间中显示低变化以及更均匀滞后时间的数据集的示例。该数据集采用二极管照明器,在执行自动对焦时可以随时间提供更稳定的照明。
虽然这里提到的优化媒体准备的许多观点可能看起来是显而易见的,但在文献中大多数大屏幕都不能很好地复制8,11 。因此,我们仔细地描述了培养物和琼脂糖介质的制备,以便可能产生更多可重现的表型筛选。
与基于固定的测定(如合成遗传数组)或Scan-O-Matic测定相比,ODELAY测定目前的吞吐量受到限制。虽然这些方法增加了测量的菌株数量,但它们缺乏解决单个细胞的能力因此不能测量我们在克隆酵母菌株内观察到的种群异质性。这个人口异质性的起源目前尚未得到理解,但是这里所示的技术和计算的合并提供了客观地解决潜在的细胞机制12的机会。
作者希望注意到,ODELAY目前仅针对特定的显微镜品牌和身体类型进行了优化。为其他显微镜系统修改ODELAY是直接的,但需要了解开源API 13 。然而,API和ODELAY脚本都被编写成易于适应于不同的系统和实验测定。
虽然ODELAY最初是为酵母开发的,但是我们已经能够在不改变的情况下利用它来观察耻垢分枝杆菌的生长。观察其他集落形成微生物是可能对提供的源代码进行修改11 。一般来说,ODELAY是一种强大且灵活的工具,用于比较在不同环境条件下生长的微生物和遗传扰动。
作者没有什么可以披露的。
作者通过授予U54 RR022220和P50 GM076547向美国国家卫生研究院的JDA承认对此项工作的支持。 FDM是加拿大卫生研究所的博士后研究员。我们还感谢卢森堡系统生物医学中心和卢森堡大学的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agarose UltraPure | ThermoFisher | 16500500 | Gel Temp 36C, Gel Strength (1%) 1.2 g/sq cm |
Yeast Extract Peptone (YEP) | Fisher Scientific | BP1422-2 | |
Complete Suplement Mixture (CSM) | Fisher Scientific | MP114560222 | |
Polyethylene Glycol 3350 (av. mol. wt. 3000-3700) | SigmaAldrich | P2906 | |
Yeast Strain BY4741 | ThermoFisher | 95400.BY4741 | |
Yeast Strain BY4742 | ThermoFisher | 95400.BY4742 | |
50 mL Falcon tubes | Corning | 430291 | 1 case |
15 mL Falcon tubes | Corning | 352096 | |
2 x 3 inch 1.0 mm thick slides 1/2 gross | VWR | 48382-179 | |
96-well plate flat bottom | Corning | 353072 | |
Hydra liquid handleing robot | Thermo | 1096-DT-100 | |
Hamilton Microlab Star Liquid Handleing Robot | Hamilton | ||
hydra 100 mL tips Extended Length DARTS | Thermo | 5527 | |
Synergy H4 Plate Reader | Biotek | H4MLFAD | |
Leica DMI6000 B Microscope | Leica | ||
Leica 10X/0.3NA objective | Leica | 11506289 | |
Hamamatsu ORCA Flash 4.0 Camera | Hamamatsu | C11440-22CU | |
MATLAB with image processing tool box | Mathworks | ||
MicroManager | Open Imaging | https://micro-manager.org/ | |
ODELAY Microscope Control (MATLAB scripts and GUI) | www.aitchisonlab.com\ODELAY for Matlab scripts and software | ||
ODELAY Microscope Chamber | www.aitchisonlab.com\ODELAY for Mechanincal Drawings | ||
ODELAY Agar Molds | www.aitchisonlab.com\ODELAY for mold drawings |
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