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このプロトコルは、自動化された蛍光タイムラプス顕微鏡を用いて時間の異なる細菌の単セルの動作を監視するためにステップバイステップ手順を提供します。さらに、我々は、顕微鏡画像を分析する方法のガイドラインを提供します。
ここ数年の間に科学者は微生物集団ベースの実験から得られた平均的なデータが単一の細胞の挙動、状態や表現型の代表ではないことをますます認識するようになりました。この新しい洞察による単一細胞の研究の数は、(最近のレビューのために1,2,3を参照)継続的に上昇する。しかし、適用される単一のセル技術の多くは、時間のある特定の単一のセル(例えばフローサイトメトリーまたは標準顕微鏡)の開発と動作を監視することはできません。
ここで、我々は多くの世代のための成長と分裂を介して枯草菌と肺炎球菌の個々の細菌細胞を以下のと(の蛍光)を記録できるようにいくつかの最近の研究4、5で使用される顕微鏡法、6、7、の詳細な説明を提供しています。結果として得られる動画は、1つの共通祖先に由来する集団内の単一セルの歴史をさかのぼることによって系統学的系統樹を構築するために使用することができます。このタイムラプス蛍光顕微鏡法は、個々の細胞の増殖、分裂と分化を調査するだけでなく、特定の細胞挙動のセルの歴史と祖先の影響を分析するために使用することはできません。また、タイムラプス顕微鏡は、理想的には細菌の細胞周期の間に遺伝子発現のダイナミクスとタンパク質の局在を調べるために適しています。方法は、細菌の細胞を調製し、微小コロニーに単一細胞の伸長を有効にするために顕微鏡スライドを構築する方法を説明します。一言で言えば、単一の細胞は、彼らが成長し、温度制御された環境室内で蛍光顕微鏡下で割っているアガロースを添加した増殖培地から成る半固体表面上にスポットされています。画像は特定の間隔でキャプチャされ、後にオープンソースソフトウェアImageJを用いて解析している。
1。 B.の準備枯草菌の培養
2。顕微鏡の試料の調製(また図2を参照)
細胞は半ば急激な増加に達する前に1時間は、次のように顕微鏡のスライドを準備します。
3。タイムラプス蛍光顕微鏡(また、図3とムービー1を参照)
次の機器(DeltaVision、英国で提供される)デヨングらに公開されてタイムラプス顕微鏡実験に使用した2010 5:。IX71顕微鏡(オリンパス)、CoolSNAP HQ2カメラ(プリンストンインスツルメンツ)、300Wキセノン光源、60倍明るいフィールドの目標(1.25 NA)、GFPフィルタセット(クロマ、40分の470 nmで励起、発光50分の525 nm)を、mCherryフィルタセット(クロマ、35分の572 nmで励起、発光60分の632 nm)を。オートフォーカスはdiascopic光を使用し、DeltavisionのSoftworxソフトウェアのオートフォーカスのルーチンの存在を用いて行った。また、このようなツァイス確実なフォーカス、ニコンパーフェクトフォーカスシステムとライカ適応フォーカスコントロールとして適している他のオートフォーカスシステムの数が今あることに留意すべきである。
以下の設定がデヨングらに公開されてタイムラプス顕微鏡実験に使用した2010 5:。映画のためのスナップショットがAPLLCホワイトは、明るいフィールドピクチャ用のライトと0.05秒露出をLEDの10%を使用して8または12分の間隔で採取されたそれぞれ10%GFP検出用のキセノンライトと0.5秒露出、およびmCherryの検出は32%キセノン光と0.8秒露出、。生データはsoftWoRx 3.6.0(応用Presicion)を使用して保存されていました。オートフォーカスは0.06μmのステップと1.2μmの合計範囲にプログラムされました。
特定のヒント:
4。 ImageJを用いたプロモーター活性の動力学のデータ解析
我々は他の優れたソフトウェアパッケージは、そのようなBHVソフトウェア9、4、Schnitzcell 10、PSICIC 11、および微生物-トラッカー12としてタイムラプス顕微鏡画像を解析することに特化したが、ここでは自由に利用できるImageJのパッケージに集中している利用可能であることに注意してください。
5。 ImageJを持つパブリケーションのために映画を制作
肺炎球菌の代替プロトコルの適応(図4およびムービー2):
6。 S.の準備肺炎の文化
7。顕微鏡の試料の調製
8。タイムラプス位相差顕微鏡
S.用顕微鏡の設定を調整肺炎球菌:S.から使わ位相差顕微鏡肺炎は、明視野顕微鏡を使用して識別することは困難です。 B.で説明したようにプロトコルを続ける枯草菌 (ステップ2.9に従っ- 3.7)。S.肺炎球菌の細胞が30のいずれかで成長することができます° Cまたは37 ° C(彼らは37℃で急速に拡大)。
9。代表的な結果:
細菌が完全に(図5A - Cを参照)、実験の終了時に視野内に配置されている微小コロニー単層、に成長した場合タイムラプス蛍光の実験は、うまく行われている。細胞はお互いの上に成長した場合、それだけで正確に彼らの歴史をさかのぼって追跡することは不可能であるだけでなく、重複する細胞の蛍光レベルを正しく測定することはできません。培地組成が遅い成長を得るために調整する必要がある場合は、斑点のある細胞が十分に乾燥させ(ステップ2.9)またはされていない場合の細胞は、お互いの上に成長する傾向がある。微小コロニーがビューから生まれた場合、一方のコロニー内の蛍光シグナルの分布を決定することはできません。 "微小コロニーの動き"の原因としては、斑点の細胞の不十分な乾燥(ステップ2.9)することができます、またはソフトウェアは、開発中に微小コロニーを追跡するようにプログラムされていない場合。さらに、これは細胞(図5D - Fを参照)からの蛍光信号を不明瞭になるように増加した蛍光のローカルパッチが培地中に検出できないことが重要です。背景関連の問題は、メディアの化合物、airbubblesまたは未溶解のアガロースの塊から生じることもできます。これを可視化するために、我々は図に示す。画像は赤色蛍光色素の励起/発光フィルターを用いて撮影されたこの特定のスライドの5Fのバックグラウンド信号。見られるように、明るい自家蛍光スポットがイメージングを妨げる可能性危険があります。このようなスポットを防ぐために、アガロースが完全に溶解し、顕微鏡のスライドにカバースリップを配置することもairbubblesがないことをされていることを確認します。
図1:実験概要
図2:顕微鏡の試料の調製
図3:Bのタイムラプス蛍光顕微鏡P kinB - GFPの融合を保有する枯草菌の細胞。スナップショットはムービー1から取得されます。トップパネル:明視野、下のパネル:GFPのチャンネル。
図URE 4:S.のタイムラプス位相差顕微鏡肺炎野生型株R6。スナップショットはムービー2から取得されます。
図5:可能(時間経過)顕微鏡の成果のイラスト。 ACはdiascopic光の設定で得られたデータを考慮する必要がある要因を示しています。 B.の胞子形成の微小コロニーの単分子層の(A)明視野顕微鏡写真(肯定的な結果) 枯草菌の細胞(B)Bの明視野像胞子形成B.の枯草菌のいくつかの細胞は互いの上に成長した微小コロニー(否定的な結果)(C)明視野像焦点のフィールド(負の結果)から生まれた枯草菌の微小コロニー。 B.のepiscopicライト設定(D)位相コントラスト画像で得られたデータを考慮する必要があるDFのショーの要因EとFの蛍光シグナルがバックグラウンドシグナルが各ピクセル(肯定的な結果)に類似していることD.注に示されているセルの(E)GFPシグナルに由来どこ可視化するために描かれた数期の菌細胞。また、一つのセルに背景が増加赤色蛍光レベル(ある地域が含まれていることD.注に示されているセルの赤のチャネルを介して得られる飽和信号(負の結果)(F)信号を示していますので、露光時間が多すぎるかもしれないことに注意して負転帰)。
B.のムービー1。タイムラプス蛍光顕微鏡P kinB - GFPの融合を保有する枯草菌の細胞。スナップショットは8分間隔で撮影されました。左:明視野、右:GFPチャンネル映画を鑑賞するためにはここをクリックしてください。
S.の動画2。タイムラプス位相差顕微鏡肺炎野生型株R6。スナップショットは10分間隔で撮影されました。 映画を見て、ここをクリックしてください。
他の多くの単一のセル技術とは対照的に、ここで説明するタイムラプス蛍光顕微鏡法は、その祖先、その動作、および除算イベントに関する特定のセルの履歴をたどるために使用することができます。蛍光標識した標的プロモーターまたはタンパク質と組み合わせることで、特定の発生経路の活性化は、時間とタンパク質の局在ならびにタンパク質のダイナミクスは、細菌の開発時に監視することができるで追跡することができます。
上記に示したように、別の細菌種に集中して研究は特定の細菌の要件に応じて増殖条件を適応することによって行うことができます。我々が遭遇した唯一の制限は、成長条件とサンプルサイズに関連しています。密閉された環境のために、培地条件が実験中に変更することはできません。また、実験ごとに4つの系統の最大は、効率的に監視することができます。
いくつかの重要なステップを考えると、ここで説明する単一細胞解析の手法は、容易に自動化された顕微鏡を使用して適用することができます。以下では、これらの重要な手順の概要が与えられます。詳細情報は、メインテキストに記載されて一般的な準備が:それは前の実験への特定の細菌のために必要なオートフォーカスの設定を確認するのが賢明です。可能であれば同様に、蛍光の可視化のためのおおよその最適な設定は、事前に決定されるべきである。また、準備したタイムラインは時間ですぐに使用できるすべての材料を持ってするのに役立つ、以下の(スライド1時間の準備を、顕微鏡の設定をプログラミング、顕微鏡室を事前に温めて細胞は、目的の増殖期になる前に、図1を参照) B.の 。 成長TLMとCDMの枯草菌 :TLMとCDMが化学的に定義されている飢餓の媒体Bの枯草菌はゆっくりと成長。細胞を培地で栽培される時間期間は、特定の菌株によって延長する必要がある場合があります。低成長がお互いに積み重ねから細胞を防止顕微鏡の試料の調製は:。遺伝子のフレームの間に空気の泡を、スライドガラスとカバーガラスは、アガロースベースの媒体の広範囲な乾燥を防ぐために防止する必要があります。同じことはミディアム/カバースリップのインタフェースにも当てはまります。それは水泳および/ または複数の層の成長を防ぐために、細胞が十分に乾燥させることが重要ですタイムラプス蛍光顕微鏡:。スライドだけでなく、環境室の前の温暖化が主要なオートフォーカスの問題を防ぐために重要である。これらは(サンプルが十分に乾燥させて提供)実験中にフィールドとフォーカスに滞在する最高のチャンスがあるので、細胞は、寒天のパッドの中央に選択する必要があります。実験ごとに10カ所の最大は、まだ正しく動作します。興味のある最初のセルを選択した後のみ(詳細は本文を参照)フォーカスを調整するためのソフトウェアを使用しています。 。細胞は30分間隔での実験分析の最初の数時間中にフォーカス可能かどうかを確認してください:それは媒体の背景が蛍光チャンネルで同じような値を持っているかどうかを事前に拡張された分析手順に確認することが重要です。小さ な塵の粒子が、培地成分、汚れたレンズまたは小型アガロースの塊は、 トラブルシューティングを分析するために映画が困難または不可能に、局所的に増大した蛍光に貢献することができます。細胞は互いの上に成長した場合、これはどちらかのカバースリップがあったことを示すかもしれません早すぎるか、そのメディアが微小コロニー単分子膜の成長に適していない添付。スライド上の他の細胞が喜んで分割するのに対し、関心の細胞は連続して、途中で死亡した場合、あなたは位置にUVフィルターを置くかどうかをチェックすることがあります。また、長時間の実験中に、露光時間や光強度を減少させるために役立つかもしれない。
利害の衝突は宣言されません。
JWVのグループでの作業は、EUのマリーキュリー復帰フェローシップ、Sysmo2グラント(NWO-ALW/ERASysBio)、ホライゾン助成金(ZonMW)でとVENIフェローシップ(NWO - ALW)によってサポートされています。 OPKのグループは、いくつかのSTWの助成金(NWO)、SYSMO1(IGdeJ)とSYSMO2助成金、ESF Eurocoresシンバイオ助成金(SynMod)でと工業的発酵食品と栄養のトップ研究所のゲノミクスのためのKluyverセンターによってサポートされています。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
試薬の名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント(省略可能) |
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遺伝子のフレーム | ABgene | AB - 0578 | 1.7 × 2.8センチメートル |
高解像度の低融点アガロース | シグマ | A4718 | |
大きなカバースリップ | いくつか | 24 × 50ミリメートル | |
必要に応じて、膜色素、例えば、FM 5から95 | インビトロジェン | T23360 | 他の膜の染料も使用可能です。 http://probes.invitrogen.com/media/pis/mp34653.pdf |
環境室とのタイムラプス顕微鏡 | いくつか | 対応するセクションで我々のデバイスの詳細を参照してください。 |
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