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Method Article
Ce protocole présente une méthode pour isoler l’ARN des biofilms de Pseudomonas aeruginosa cultivés dans des lames de chambre pour un séquençage à haut débit.
Pseudomonas aeruginosa est un pathogène bactérien opportuniste qui provoque des infections des voies respiratoires des patients atteints de mucoviscidose (FK). P. aeruginosa est connu pour sa capacité à former des biofilms protégés par une matrice d’exopolysaccharides. Cette matrice permet aux micro-organismes d’être plus résistants aux facteurs externes, y compris le traitement antibiotique. L’une des méthodes les plus courantes de croissance du biofilm pour la recherche est l’utilisation de plaques de microtitration ou de lames chambrées. L’avantage de ces systèmes est qu’ils permettent de tester plusieurs conditions de croissance, mais leur inconvénient est qu’ils produisent des quantités limitées de biofilm pour l’extraction de l’ARN. Le but de cet article est de fournir un protocole détaillé, étape par étape, sur la façon d’extraire l’ARN total de petites quantités de biofilm de qualité et de quantité suffisantes pour le séquençage à haut débit. Ce protocole permet d’étudier l’expression des gènes au sein de ces systèmes de biofilms.
La plupart des infections bactériennes chroniques, telles que les infections pulmonaires chez les patients atteints de mucoviscidose (FK) et les infections liées aux prothèses, sont caractérisées par la croissance d’organismes dans les biofilms. Les biofilms1 sont des communautés de bactéries enfermées dans une matrice composée principalement de polysaccharides2. Les bactéries présentes dans les biofilms peuvent être à croissance lente, métaboliquement dormantes et dans des conditions anaérobies et hypoxiques. Les biofilms sont plus résistants aux antibiotiques en raison de facteurs tels que la diminution de la pénétration des antibiotiques, l’augmentation de l’expression des pompes d’efflux de médicament et la diminution de la division cellulaire3. Pour ces raisons et d’autres, ils présentent un grand intérêt pour la recherche.
Afin d’étudier avec précision les infections persistantes telles que les infections chroniques à Pseudomonas aeruginosa chez les patients atteints de mucoviscidose, les conditions de croissance observées avec la formation de biofilms doivent être reflétées avec précision in vitro. Une méthode courante à haut débit consiste à les cultiver dans des lames de chambre ou des plaques de microtitration et à surveiller la formation de biofilms par microscopie confocale4. On sait qu’un régulateur clé dans la transition d’un mode de vie bactérien planctonique, ou flottant libre, à un mode de vie bactérien à biofilm est le messager secondaire, cyclique-di-GMP5. L’augmentation des niveaux cycliques de di-GMP augmente l’expression de gènes spécifiques qui favorisent la croissance du biofilm. Les petits ARN régulateurs non codants et la détection du quorum jouent également un rôle important dans la régulation de la formation du biofilm5. Mesurer l’expression génique d’un biofilm par séquençage de l’ARN bactérien extrait peut s’avérer difficile. P. aeruginosa, par exemple, produit trois exopolysaccharides (Psl, Pel et alginate), qui sont produits en quantités importantes dans les biofilms 6,7. Ces polysaccharides peuvent interférer avec l’extraction et la purification de l’ARN, conduisant à des préparations impures contenant de faibles niveaux d’ARNm 8 bactérien. Les kits d’extraction d’ARN disponibles dans le commerce sont capables de produire de l’ARN de haute qualité à partir de cultures bactériennes planctoniques, mais peuvent ne pas fonctionner aussi bien avec les cultures de biofilm 9,10,11. Il existe quelques kits commerciaux d’extraction d’ARN qui prétendent fonctionner pour les biofilms, dont l’un que nous utilisons avec cette méthode.
Dans ce manuscrit, nous décrivons les procédures de croissance des biofilms de P. aeruginosa dans des lames de chambre et d’extraction de l’ARNm bactérien pour le séquençage à haut débit12,13. À l’aide d’isolats cliniques prélevés sur des échantillons d’expectorations de patients atteints de mucoviscidose, nous démontrons que ces méthodes peuvent être utilisées pour des isolats présentant des caractéristiques de croissance variables. Par rapport aux publications précédentes, ce protocole est décrit en détail pour permettre un meilleur succès dans l’étude de l’expression génique du biofilm bactérien 11,14,15,16.
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Le comité d’éthique de la recherche (CER) est requis pour la collecte et le traitement d’échantillons d’expectorations provenant de sujets humains. Cette étude a été approuvée par l’Hôpital pour enfants malades (REB#1000019444). Le comité d’éthique de la recherche (CER) est tenu de prélever et d’entreposer des échantillons d’expectorations provenant de sujets humains. Ces études ont été approuvées par le CER#1000058579 de l’Hôpital pour enfants malades.
1. Formation du biofilm
2. Récupération du biofilm
REMARQUE : Chaque lame de verre contient huit puits séparés. Un seul échantillon se compose de quatre puits avec des biofilms qui seront regroupésen 17. Ce protocole d’extraction porte sur 1 échantillon (4 puits) où les biofilms sont récupérés à partir de 2 puits à la fois. Les extractions d’ARN sont effectuées à l’aide d’un kit d’extraction d’ARN commercial qui comprend une étape de battage de billes et un nettoyage sur colonne, avec des modifications. Suivez les instructions du fabricant pour la préparation du réactif.
3. Isolement total de l’ARN et évaluation de la qualité
REMARQUE : L’extraction de l’ARN est effectuée à l’aide d’un kit d’extraction d’ARN commercial qui prétend fonctionner sur des biofilms. Les différents composants sont inclus dans la table des matériaux, si possible. Des explications sur les mécanismes à l’origine de chaque étape de purification sont fournies lorsque cela est possible.
4. Déplétion de l’ARN ribosomique et séquençage à haut débit
5. Évaluation de la qualité des lectures de séquençage
REMARQUE : Vérifiez la qualité des lectures de séquençage à l’aide du programme disponible gratuitement, FastQC26, disponible via la plate-forme gratuite et open-source, Galaxy27.
6. Cartographie des lectures de séquençage
REMARQUE : Il s’agit d’un pipeline de base pour le découpage de l’adaptateur et le mappage de lecture des données de séquençage de l’ARN. Les séquences d’adaptateur sont coupées à partir des lectures à l’aide de Trimmomatic28. Les lectures tronquées sont cartographiées sur le génome de référence PAO1 de P. aeruginosa (NC_002516.2), obtenu du NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)29en utilisant BWA30 et Samtools31. Pour simplifier, une paire de lectures s’appelle PA_1.fq et PA_2.fq ; Le fichier de lecture de l’adaptateur à découper s’appelle adapter.fa ; et la séquence de référence PAO1 s’appelle PAO1.fasta. Tous les outils sont open source et fonctionnent dans un environnement UNIX/LINUX. Il est fortement conseillé de vous familiariser avec les fondamentaux d’UNIX/LINUX afin d’exécuter ces commandes.
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La figure 1 donne un aperçu général de la méthode. Nous avons précédemment utilisé des lames de chambre à 8 puits pour cultiver des biofilms de P. aeruginosa et les exposer à des antibiotiques avant de les examiner par microscopie confocale à différents moments12,13. Cette méthode peut être utilisée pour extraire l’ARN total directement des biofilms cultivés dans ce système...
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L’ARN total est extrait avec succès de 17 échantillons différents de biofilm bactérien en trois exemplaires, ce qui donne un total de 51 échantillons. Les quarante-neuf banques d’ARN sont regroupées et séquencées avec succès. Dans l’ensemble, cela valide nos critères de qualité avec un taux de réussite de 96 % même si plus de la moitié des échantillons sont considérés comme étant de faible abondance et de qualité sous-optimale 34,35,36,37....
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Les auteurs n’ont aucune divulgation à déclarer.
Contributions des auteurs : P.W., Y.Y. et V.W ont participé à la conceptualisation de l’étude. K.G., L.J., A.M. et P.W. ont optimisé les protocoles de laboratoire. Le financement de K.G. a été financé par la subvention du Programme de stages pratiques pour étudiants par l’intermédiaire de BioTalent Canada.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | Automated electrophoresis of biomolecules |
Agilent RNA 6000 pico kit | Agilent | 5067-1513 | High sensitivity RNA electrophoresis chip to generate a RIN |
DNA/RNA Lysis Buffer | Zymo Research | D7001-1-50 | A guanidinium thiocyanate and N-Lauroylsarcosine-based lysis buffer sold as part of a nucleic acid purification kit |
DNA/RNA Prep Buffer | Zymo Research | D7010-2-10 | A guanidine HCl and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNA/RNA Shield | Zymo Research | R1100-50 | DNA and RNA preservation/protection reagent |
DNA/RNA Wash Buffer | Zymo Research | D7010-3-6 | A salt and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNBSEQ G-400RS | MGI | G-400RS | High throughput sequencer |
MGIEasy RNA Directional Library Prep Set | MGI | 1000006386 | Generate libraries for MGI high-throughput sequencing platforms from total RNA. |
Mini-Beadbeater-96 | BioSpec | 1001 | A high energy, high throughput cell disrupter |
NEBNext rRNA Depletion Kit (bacteria) | New England Biolabs | E7850X | Efficient and specific depletion of bacterial rRNA (5S, 16S, 23S) |
Nunc Lab-Tek II chamber slide system | Thermo Fisher Scientific | 154534 | 8-well chamber slide with removable wells |
Qubit Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q33238 | Fluorometer for DNA, RNA and proteins |
Qubit RNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32852 | High sensitivity fluorometric assay to measure RNA concentration |
Spin-Away Filters | Zymo Research | C1006-50-F | Silica-based spin column primarily used to bind or remove genomic DNA |
Sterile inoculation loops, 1 uL | Sarstedt | 86.1567.050 | Sterile, disposable inoculation loops for manipulation of microorganisms |
ZR BashingBead Lysis tubes | Zymo Research | S6003-50 | 2 mL tubes containing 0.1 and 0.5 mm bead lysis matrix for homogenizing biological samples |
Zymo Spin IIICG Columns | Zymo Research | C1006-50-G | Silica-based spin column for purification of DNA and RNA |
Zymo-Spin III-HRC Filters | Zymo Research | C1058-50 | Remove inhibitors such as polyphenolic compounds, humic/fulvic acids, tannins, melanin, etc. |
Zymobiomics DNA/RNA Miniprep kit | Zymo Research | R2002 | DNA and RNA dual extraction kit |
Zymobiomics HRC Prep solution | Zymo Research | D4300-7-30 | To be used with Zymo-Spin III-HRC Filters to remove PCR inhibitors |
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