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Demostrar el uso de gradientes discontinuos de densidad para separar poblaciones bacterianas basadas en la producción de cápsulas. Este método se utiliza para comparar cantidad cápsula entre culturas, aislar a mutantes con un fenotipo específico de la cápsula, o identificar los reguladores de la cápsulas. Se describe aquí es la optimización y funcionamiento del ensayo.
La cápsula es un factor clave de la virulencia en muchas especies bacterianas, mediando la evasión inmune y resistencia a los esfuerzos físicos diversos. Mientras que muchos métodos están disponibles para cuantificar y comparar la producción cápsula entre diferentes cepas o de mutantes, no existe ningún método ampliamente utilizado para la clasificación de las bacterias basadas en cuántas cápsulas que producen. Hemos desarrollado un método para separar las bacterias por la cantidad de cápsulas, con un gradiente de densidad discontinuo. Este método se utiliza para comparar cantidades cápsulas semi-cuantitativamente entre culturas, para aislar a mutantes con producción alterada de la cápsula y para purificar las bacterias encapsuladas de muestras complejas. Este método también se puede acoplar con la secuencia de inserción de transposones para identificar genes implicados en la regulación de la cápsula. Aquí, el método se demuestra en detalle, incluyendo cómo optimizar las condiciones de gradiente para una nueva especie bacteriana o tensión y cómo construir y ejecutar el gradiente de densidad.
Muchas especies bacterianas producen una cápsula de polisacárido, que protege a la célula bacteriana de varias tensiones físicas y de reconocimiento y matanza por el sistema inmune. En Klebsiella pneumoniae, producción de cápsula es un requisito absoluto para la infección1,2. K. pneumoniae cápsula media resistencia a péptidos antimicrobianos, resistencia a la muerte mediada por complemento, prevención de la fagocitosis y la supresión de la respuesta inmune innata3. Exceso de producción de cápsula se asocia con mayor virulencia y las infecciones adquiridas en la comunidad (nosocomiales)4.
Una gama de pruebas cuantitativas y cualitativas están disponibles para investigar la producción de cápsulas. Especies de Klebsiella , estos incluyen la cadena prueba5, en la que un palillo de dientes tocaba a una colonia se tira hacia arriba y mide la longitud de la cadena producida y de ensayo de mucoviscosity6, que consiste en la centrifugación lenta de una cultura siguió midiendo la densidad óptica del sobrenadante. Estos métodos son sencillos y rápidos pero carecen de sensibilidad cuando se utiliza el clásico Klebsiella cepas en vez de cepas superproductoras cápsulas. Otro método de cuantificación de cápsula es el análisis de ácido urónico, que es un desafío técnico y requiere el uso de ácido sulfúrico concentrado1. Finalmente, la cápsula es visible directamente por microscopía (figura 1A). De estos métodos, sólo microscopía permite observar Estados de encapsulamiento diferentes dentro de una población única, y ninguno de estos métodos permite la separación física de bacterias encapsuladas y no encapsulados.
Separaciones basadas en la densidad mediante centrifugación del gradiente se utilizan habitualmente en biología de la célula para purificar células eucariotas diferentes tipos7, pero raramente se utilizan en la investigación microbiológica. El ensayo mucoviscosity de Klebsiella se basa en la observación que muy encapsuladas bacterias tardan más tiempo en pellets por centrifugación, y razonamos que esto puede ser debido a la menor densidad de células encapsuladas. El método mostrado aquí fue desarrollado para K. pneumoniae las poblaciones separadas físicamente por cápsula cantidad, utilizando centrifugación de gradiente de densidad (figura 1). Este método fue aplicado con éxito a Streptococcus pneumoniae, lo que indica que es aplicable a otras especies bacterianas. Separación del gradiente de densidad de una biblioteca mutante transposon saturado junto con la secuencia de inserción de transposones (densidad-TraDISort) se ha utilizado para identificar los genes involucrados en la producción y regulación cápsula8. Del mismo modo, este método fue utilizado en conjunto con la reacción en cadena de polimerasa al azar-prime (PCR) de colonias individuales para aislar no encapsulados de K. pneumoniae mutantes. Este método también puede usarse para comparaciones rápidas de producción cápsula entre condiciones y poblaciones diferentes, o para purificar las bacterias encapsuladas de muestras complejas (figura 1B). Por último, existe la opción analizar otros fenotipos que afectan la densidad, como el tamaño de la célula o agregación.
Este manuscrito muestra cómo optimizar el procedimiento para una nueva especie bacteriana o cepa y demuestra la construcción y funcionamiento de un gradiente de densidad discontinuo para separar las bacterias hyper encapsulados, encapsuladas y no encapsulados.
Nota: Asegurar que cualquier evaluación de riesgos aplicables a las cepas bacterianas es adoptadas cuando el cultivo y manejo de muestras. Tenga en cuenta que establecer gradientes demasiados a la vez puede conducir a trastornos musculoesqueléticos debido a la presión en empalmes de pipetear lenta involucrados. Plan de trabajo y tomar precauciones para evitar lesiones.
1. preparación de las cepas bacterianas o bibliotecas mutantes
2. preparación de diluciones de gradiente y mini-gradiente prueba
3. preparación de células para el experimento principal
4. preparación de gradientes discontinuos de densidad
Nota: Un método alternativo de preparación degradado de fondo (más concentrada) al principio (menos concentrado) con una pipeta se describe en el paso 7.
5. Añadir las células preparadas a gradientes y separación por centrifugación
6. recuperación de fracciones de la muestra y consecuencia opcional paso
7. otro método para preparación degradado de fondo (más concentrada) al principio (menos concentrada) usando una pipeta
8. medición de la cantidad de cápsulas por ensayo de ácido urónico
Resultados representativos se muestran en la figura 2. El resultado exacto esperar dependerá de la especie bacteriana, la creación de los gradientes de densidad, y si el usuario está examinando una cepa o un grupo de mutantes. Mayoría de las cepas se migrará a una única ubicación dentro de un gradiente, como se muestra en la figura 2A y 2D. Aplicación del método en una biblioteca de mutantes bacteriana dará lugar a una importante banda arriba el gradiente, una banda menos denso distribuido a través de la capa superior de la pendiente y una fracción de menor acapsular en la parte inferior (figura 2B). Estas fracciones se diferencian en cantidad de cápsula como se muestra en un ensayo para ácidos urónicos (figura 2B). Secuencia de inserción de transposones de fracciones individuales resulta en clara localización de mutantes específicos en diferentes fracciones de gradiente, como se muestra para el locus de la biosíntesis de la cápsula de ATCC43816 de K. pneumoniae (figura 2C). Resultados representativos para cultivos puros de NTUH-K2044 de K. pneumoniae y S. pneumoniaey otra cápsula biosíntesis o mutantes regulatorios, se muestran en la figura 2D.
Figura 1 : Esquema del método de centrifugación de densidad para separar las bacterias, basadas en cápsulas y sus aplicaciones. (A) una imagen de microscopia electrónica de un encapsulado Klebsiella pneumoniae celular. La cápsula es visible como una capa densa en el exterior de la célula. (B) aplicaciones de la centrifugación de la densidad para el estudio de bacterias encapsuladas. (Bi) Separación de densidad puede utilizado para generar fracciones alta, baja y no-cápsula de una biblioteca de transposon mutante y seguido por la secuencia de inserción transposones definir genes que influyen en la producción de cápsula. (Bii) Purificación de bacterias encapsuladas de una muestra compleja. (Biii) Uso de separación por densidad para comparaciones rápidas de cápsula cantidad entre muestras. Este método también permite la visualización de la heterogénea producción de cápsula en poblaciones bacterianas, como se muestra en (Biii). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Resultados representativos. (A) ejemplo de la salida de las pruebas de mini-gradiente. Dos diferentes cepas de K. pneumoniae se centrifugaron en 1 mL de 15% densidad gradiente medio. Hypermucoviscous NTUH K2044 tensión se mantiene por encima de la capa media gradiente de densidad, mientras que ATCC43816 (que hace menos cápsula) que migra a la parte inferior de la capa. (Bi) Uso de un gradiente de densidad para separar una biblioteca mutante transposon en tres fracciones. Tenga en cuenta que la fracción de la parte inferior contiene una baja proporción de mutantes y no es visible en esta imagen. (Bii) Validación de diferentes cantidades de cápsula en la parte superior, media y fracciones de la parte inferior usando un análisis de ácidos urónicos. Las células de la parte inferior superior, media y pequeño fracciones fueron aisladas y se resuspendió en PBS a una OD600 de 4, entonces la cápsula de polisacáridos extraídos y ácidos urónicos miden1. (C) resultados de densidad-TraDISort ejemplo. Ubicaciones de mutación identificadas se muestran por líneas azules sobre el esquema de cromosoma. Mutantes que carecen de cápsula pueden ser identificados como aquellos que están presentes en la biblioteca entrada pero se agotan en la fracción superior y enriqueciéndose en la fracción de la parte inferior, como se muestra aquí para la biosíntesis de la cápsula del lugar geométrico8. (D) un ejemplo de uso de centrifugación gradiente de densidad para comparar cantidad cápsula entre el tipo salvaje y mutantes cepas de K. pneumoniae NTUH-K2044 y 23F de S. pneumoniae . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La cápsula es un factor de virulencia importante en muchas especies bacterianas incluyendo K. pneumoniae3 Streptococcus pneumoniae9, Acinetobacter10y11 especies de Neisseria. Aunque existen varios métodos para la cuantificación y visualización de las cápsulas bacterianas, actualmente no hay ningún método ampliamente utilizado para separar físicamente las células encapsuladas y no encapsulados. En este artículo, hemos demostrado un método robusto para la separación de la cápsula de poblaciones bacterianas, con múltiples aplicaciones potenciales en conjunto con diferentes protocolos de aguas arriba o aguas abajo.
La presencia de una cápsula de superficie puede reducir la densidad de la célula bacteriana, que permite la separación por centrifugación de gradiente de densidad (figura 2D). Hemos validado este método K. pneumoniae NTUH-K204412 y ATCC4381613 así como en el 23F de Streptococcus pneumoniae 14 y su mutante delcps Δ15. Este método utiliza el Percoll16 como podría ser el componente principal de la gradiente de densidad, que es una suspensión de partículas de sílice coloidal recubiertas que tiene baja viscosidad y sin toxicidad a las bacterias - en principio, otras sustancias cumplen con estos criterios utiliza para establecer el gradiente de densidad.
Puede ser difícil asegurar que capas de diferentes densidades no mezclan al construir gradientes de densidad, y si la mezcla se enciende, el método de separación no dará resultados limpios. Hemos incluido dos métodos alternativos para verter los gradientes, utilizando una aguja o una pipeta, ambos son efectivos, y qué método usar es simplemente una cuestión de preferencia. Para todos los pasos que implican el uso de una sustancia (una suspensión bacteriana, o una capa de degradado más diluida) sobre una capa de degradado, pipetear alícuotas múltiples de volúmenes más pequeños puede hacer más fácil lograr una interfaz aguda sin ninguna mezcla de capas.
Una limitación de este protocolo es que no se puede garantizar su funcionamiento con otras especies bacterianas. Por lo tanto, es crítico al examinar una nueva especie bacteriana o cepa para validar la separación de densidad mediante un método de cuantificación de cápsula adicional, independiente. Visualización de las bacterias presentes en cada fracción por microscopia con manchas cápsulas apropiadas es un método fiable para que protocolos detallados están disponibles17. Alternativamente, cápsulas que contienen ácidos urónicos (como las de Escherichia coli y K. pneumoniae) se pueden cuantificar mediante un ensayo específico como se muestra en la figura 2B1. La prueba de mucoviscosity basado en la centrifugación no es adecuada como un método de validación independiente, ya que este ensayo también depende de la densidad de las células bacterianas.
Otra limitación de este método es que la producción de cápsula es muy sensible a las condiciones de cultivo e incluso pequeños cambios en el medio de cultivo, temperatura, aireación puede afectar los resultados de este ensayo. Para minimizar este problema, investigadores pueden utilizar un medio de crecimiento definido o un lote consistente medio complejo, mantener todos los parámetros de crecimiento idénticos entre experimentos e incluyen cepas de control adecuadas para permitir la interpretación de los resultados inesperados . Algunas cápsulas bacterianas son frágiles y pueden distorsionar de la célula cuando las culturas se pipetea. Para evitar la deformación de las cápsulas, culturas deben ser centrifugadas y resuspendió no más de dos veces durante la preparación para la carga en el gradiente. Si la pérdida de la cápsula durante la concentración de las culturas sigue siendo problemática, cultivos bacterianos pueden aplicarse a un gradiente de densidad directamente, con un volumen más grande de la suspensión bacteriana añadida si es necesario para la visualización.
Futuras aplicaciones de este método son para aplicar a otras especies bacterianas y utilizar esta separación junto con diferentes tecnologías de upstream y downstream. Además de densidad-TraDISort8, sugerimos que la separación de gradiente de densidad de encapsulado bacterias podría utilizarse para el aislamiento de mutantes con cápsula alterada, para la purificación de células encapsuladas de cultivos mixtos o muestras complejas y por rápida creación de perfiles de producción de cápsula en múltiples cepas. Por último, esta tecnología podría utilizarse para examinar otros fenotipos bacterianas como agregación.
Los autores tienen intereses financieros a revelar.
Agradecemos a Wang Jin-ciudad y Susannah Salter de cepas y miembros del grupo de discusión útil Parkhill. Este trabajo fue financiado por el Instituto de Sanger de Wellcome (Wellcome grant 206194) y por una beca postdoctoral de Sir Henry Wellcome a F.L.S. (grant 106063/A/14/Z). M.J.D. es apoyado por una beca de doctorado Instituto Wellcome Sanger.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Percoll | GE Healthcare | 17-0891-01 | |
Centrifuge 5810R with Rotor A-4-81 and 500 mL buckets | Eppendorf | 5810 718.007 | |
Adapters for 15 mL tubes | Eppendorf | 5810 722.004 | |
Fixed andgle rotor F-34-6-38 | Eppendorf | 5804 727.002 | |
2.6 to 7 mL tube adapter | Eppendorf | 5804 739.000 | |
Centrifuge 5424 including Rotor FA-45-24-11 | Eppendorf | 5424 000.460 | |
2 mL tubes | Eppendorf | 0030 120.094 | |
1.5 mL tubes | Eppendorf | 0030 120.086 | |
5 mL polypropylene round bottom tube | Falcon | 352063 | |
1 mL disposable syringe Luer slip | Becton Dickinson | 300013 | |
AGANI Needle 21G Green x 1.5" | Terumo | AN 2138R1 | |
P1000 pipette and tips | |||
P200 pipette and tips |
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