蛍光標識株の共同栽培による細菌細胞集団における種内競争のモニタリング

要約

細菌は、その生涯の間に有害または有益な突然変異のいずれかを蓄積することができます。細胞の集団では、有益な突然変異を蓄積した個体は、急速に仲間を上回る可能性があります。ここでは、蛍光標識された個体を用いて、時間の経過とともに細菌細胞集団における種内競争を可視化する簡単な手順を提示する。

要約

細菌などの多くの微生物は非常に急速に増殖し、集団は高い細胞密度に達する可能性があります。集団の細胞の小さい分数は、常に細胞にとって有害または有益な突然変異を蓄積している。突然変異の適性効果がサブ人口に強力な選択的成長優位性を提供するならば、この亜集団の個体は急速に競争し、さらには彼らの直近の仲間を完全に排除するかもしれない。したがって、有益な突然変異を獲得した細胞の小さな遺伝的変化および選択主導的蓄積は、細胞集団の遺伝子型の完全なシフトにつながる可能性がある。ここでは、グラム陽性モデル 細菌サブティリスの蛍光標識体の共培養によって、時間の経過とともに細菌細胞集団における有益および有害な突然変異の迅速なクローン拡張および消失を監視する手順を提示する。この方法は、細菌細胞集団における個体間の種内競争を表示する方法が容易かつ非常に例示的である。

概要

土壌細菌は、通常、柔軟な規制ネットワークと広範な代謝能力に恵まれています。両方の特徴は、細胞が与えられた生態学的ニッチ¹で利用可能である栄養素のために彼らの仲間や他の微生物と競合するために、それらの同化および同化経路を調整することを可能にする。しかし、細菌が環境に適応できない場合、他のメカニズムは種の生存を説明する可能性があります。確かに、多くの細菌が急速に増殖し、集団が高い細胞密度に達することができるように、亜集団は自発的に細胞に選択的な成長の利点を提供し、したがって、その適性を高める有益な突然変異を蓄積している可能性があります。さらに、突然変異ホットスポットおよびストレス誘発適応性変異発生は、不適合細菌^2,3の進化を促進することができる。したがって、連続選択下での突然変異および増殖の蓄積は、同一属^4,5内であっても、巨大な微生物多様性の起源である。自然界と同様に、細菌ゲノムの形成は、選択下の連続栽培のために実験室でも起こる。これは、基礎研究および産業界で世界的に使用されているグラム陽性細菌B.サブティリスの家畜化によって例示される。1940年代にB.サチリスをDNA損傷X線で処理し、その後、特定の成長条件⁶で培養した。それらの家畜化中に細菌に蓄積された突然変異は、多くの成長特性の喪失を占める、すなわちB.サブチリス実験室株168は、複雑なコロニー^7,8を形成する能力を失った。

今日では、最もよく研究されたモデル細菌 大腸菌 と B.サブティリスのために、特定の科学的な質問に対処するためにゲノムを遺伝的に操作するための様々な強力なツールが利用可能です。時には、目的の遺伝子の不活性化は、重篤な成長欠陥を引き起こし、その後、標準的な成長培地⁹ではっきりと見える。対照的に、弱い成長欠陥を引き起こし、ひずみの適性にわずかに影響を与える突然変異はしばしば無視される。しかしながら、いずれの場合も、数世代にわたって変異株の培養および経架を長時間化すると、通常は親株^2,9の表現型を回復したサプレッサー変異体の蓄積をもたらす。サプレッサー変異体の特徴付けと、親突然変異株の成長欠陥を回復した突然変異の同定は、重要かつしばしば新しい細胞プロセス^10,11の解明を可能にする非常に有用なアプローチである。

我々はB.サチリス¹²におけるグルタミン酸恒常性の制御に興味を持っている。大腸菌と同様に、B.サチリスは、サプレッサー突然変異体の蓄積によるグルタミン酸恒常性(すなわちグルタミン酸分解²のブロック)の摂動に応答する。自発的突然変異によって獲得されたこれらのサプレッサー変異体におけるゲノム変化は、グルタミン酸恒常性^9,13を迅速に回復させることが示された。したがって、細菌の家畜化中の特定の成長条件に対するB.サチリスの適応が酵素合成および進化した酵素活性においてミラーリングされ、グルタミン酸代謝¹²に関与していることは驚くべきことではない。家畜化過程中の成長培地における外因性グルタミン酸の欠如が、実験室株^1682,14における暗号性グルタミン酸脱水素酵素(GDH)gudB ^CR遺伝子の出現および固定化の原動力であったことが示唆されている。この仮説は、実験室株におけるGDH活性の減少量が外因性グルタミン酸が不足しているときに選択的増殖の利点を細菌に提供するという我々の観察によって支持される^2。また、B.サチリス株の培養は、GDH GudBを合成し、外因性グルタミン酸がない場合には、gudB遺伝子²を不活性化したサプレッサー変異体の蓄積をもたらす。明らかに、同化活性GDHの存在は、他の方法で使用できる内因的に産生されたグルタミン酸がアンモニウムおよび2-オキソグルタル酸に分解されるため、細胞にとって不利である(図1)。対照的に、グルタミン酸が培地によって提供される場合、高レベルGDH活性を有するB.サチリス株は、1つの機能GDHのみを合成する株に対して選択的な増殖性を有する。高レベルのGDH活性により、細菌は培地²によって提供される他の炭素源に加えて、第2の炭素源としてグルタミン酸を利用することを可能にする(図1を参照)。したがって、GDH活性は、外因性グルタミン酸の入手可能性に応じて、細菌の適性に強く影響を及ぼす。

ここでは、染色体上の単一の遺伝子座で異なる2つの B.サチリス 株間の種内競争を監視し、可視化するための非常に例示的な方法を提示する(図2)。この2株を、フルオロフォアYFPおよびCFPをコードする yfp および cfp 遺伝子で標識し、異なる栄養条件下で共栽培した。時間をかけてサンプリングし、寒天プレートに適切な希釈液をめっきすることにより、各培養物の生存者は、一般的なステレオ蛍光顕微鏡を使用して容易に監視することができます。この論文に記載されている手順は、細胞集団における有益および有害な突然変異の急速なクローン拡張および除去を、時間の経過とともに容易に行い、視覚化するのに適している。

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プロトコル

寒天プレート、培養メディア、クライオストック、プレカルチャーの製造

1. 成長培地と必要な試薬を準備します(材料および試薬の表を参照)。
2. B.サチリス株をストリーク(例えば.BP40(rocG⁺ gudB^CR amyE::P_gudB-yfp)および BP52(rocG⁺ gudB⁺ amyE::P_gudB-cfp) は、それぞれ1つと2つのアクティブなGDHを発現します)² SPミディアガルプレートの競技実験で使用される単一コロニーを得る。プレートを一晩37°Cでインキュベートする。
3. 単一コロニーを取り、4 ml LB液体培地を含む滅菌培養管を接種する。28°Cおよび220のrpmで一晩細菌を成長させる。
4. 細胞がライスまたは胞子を避けるために28°Cで一晩培養を成長させます。
5. 標準分光光度計を用いて、波長_600nm(OD600)で培養液の光学濃度を測定します。
6. 培養物が2.0のOD₆₀₀ に達した場合、1.5ml反応チューブ中の無菌50%グリセロール溶液の0.75mlと培養物の0.75mlを混合する。最終OD₆₀₀ は、約10⁸ 細胞/mlを含む凍結ストックを得るために1.0でなければなりません。
7. チューブは-80°Cで保管してください。
8. フルオロフォア遺伝子をコードする cfp および yfp で標識された各株の3つの前培養を行う。-80°Cのクライオストックから1μl細胞で前培養(4ml LB液体培地を含む無菌培養チューブ)を接種する。培養物を28°Cおよび220rpmで一晩インキュベートする。

2. 細菌の共同栽培、サンプル採取、試料保存

1. 100 ml の C-Glc および CE-Glc の最小限の培地 (試薬と材料の表を参照) を準備し、各培地の 20 ml を滅菌 100 ml の振るフラスコに移します。
2. 一晩栽培したプレカルチャーの0.1mlを取り、1.5mlキュベットで0.9ml LB培地で希釈し、OD₆₀₀を決定する。
3. 競技実験では、1.0~1.5の間に類似のOD₆₀₀ を有する異なる株の前培養を行う。
4. 混合細胞集団を得るために、適切な_OD600 を有した培養前培養の細胞を、20mlC-GlcおよびCE-Glc最小培地中の0.05の_OD600 に希釈し、100mlの揺れフラスコで補充した。競技実験では、2つの株を1:1の比率で混合する必要があります。
5. フラスコから10mlのサンプルを取り、15mlのプラスチックチューブに移し、標準的なテーブル上部遠心分離機で4,000 x gで10分間遠心分離して細胞を収穫し、上清を捨てます。
6. 0.5 ml新鮮なLB培地で細胞を再懸濁し、細胞を無菌1.5 ml反応カップに移します。0.5 mlの50%無菌グリセロールを加え、厳密なボルテックスで懸濁液を混合し、さらに処理するまで-80°Cの冷凍庫に保存します。
7. 37°Cおよび220rpmで最大24時間、振るフラスコに残された細胞をインキュベートする。蛍光色素の写真の漂白を防ぐために、暗闇の中で揺れるフラスコを保ちます。
8. 7時間および24時間の成長の後に0.1 mlのさらなるサンプルを取る。サンプルの1:10希釈液(C-GlcまたはCE-Glc最小媒体)のOD₆₀₀ を測定して注意してください。
9. 各培養物から適切な量の細胞を取り出し、OD₆₀₀ が1.0の凍結ストックを作ります。さらに処理するまで-80°Cでサンプルを保管してください。

3. 定量分析のためのサンプル処理、めっき、インキュベーション

1. すべてのサンプルを採取した後、凍結ストックを解凍し、細胞を0.9%の生理食塩水(試薬および材料の表を参照)で^10-3まで希釈した。
2. SP培地寒天プレート上の^10-3 希釈液の0.1mlをプレートし、滅菌ガラスピペットを使用して細胞を分配する。
3. 単一のコロニーが出現するまで、暗闇の中で37°Cで一晩プレートをインキュベートします。

4. 定量分析のための立体蛍光顕微鏡による被爆者数

1. ステレオ蛍光顕微鏡の下で生存者を数えながら、より良い方向のために4つの部分に黒いペンで寒天プレートの底を分割します。
2. プレートを顕微鏡の下に逆さまに置き、冷たい光源を使用してコロニーを焦点にします。
3. コロニーが焦点を合わせられたら、CFP用に適切なフィルタセットに切り替えて 、cfp標識株の生存細胞を視覚化します。ペンでコロニーにラベルを付けることによって、この株の生存者を数え、数をメモします。
4. エタノールでラベルを取り除き、YFPフィルタセットに切り替えて 、yfpラベル付き歪みの生存細胞を可視化します。ペンでコロニーにラベルを付けることによって、再び生存者を数え、番号をメモします。

5. 半定量分析のためのサンプル処理と顕微鏡

1. 例示的な図では、SP寒天プレート上のステップ3.1から^10-4 希釈液(約100細胞)の10μlをスポットする( 図3を参照)。
2. 単一のコロニーが出現するまで、暗闇の中で37°Cで一晩プレートをインキュベートします。
3. 顕微鏡の下に蓋をせずにペトリ皿を置き、冷たい光源を使用してスポットを焦点にします。
4. 例示の図のためのスポットの写真を撮ります。冷たい光源でコロニーの写真を撮るための適切な露出時間を選択してください。
5. プレートを動かさずに、CFPフィルタセットに変更し、露光時間を調整して写真を撮ります。YFP フィルタセットでも同じ操作を行い、画像を保存してさらに解析を行います。

6. データ分析

1. 定量的データ分析には、Excel などのソフトウェアを使用します。カウントされたコロニーに基づいて、100%に設定されたコロニーの総数に対する黄色と青のコロニーの割合を計算します。
2. 計算された数値を使用して、積み上げバー図を作成します ( 図 4 および図 5を参照)。Adobe Photoshop などの画像処理プログラムを使用して、さまざまな場所から撮影した写真のマージされた画像を作成します。あるいは、自由に入手可能なソフトウェアImageJは 、http://rsbweb.nih.gov/ij/ からダウンロード可能な画像処理に使用することができる。
3. CFP フィルタ セットと YFP フィルタ セットで撮影した 1 つの場所から画像を開きます。メディアから任意のバックグラウンド蛍光を低減するためにコントラストと明るさを最適化します。
4. いずれかの画像に移動し、すべてを選択します。図をコピーして、他の図に貼り付けます。
5. 「カラードッジ」機能を使用して画像をマージするか、チャンネルタブを使用して蛍光画像をオーバーレイします。異なる媒体および異なる時点からのコロニーの結合された写真は、液体培養中の異なる株の成長を表す。

7. 具体的なヒント:色素スイッチ実験とcfpとyfpで標識された同種株の共同栽培

B.サブティリスにおける2つのフルオロフォアコード遺伝子のどちらかの発現は、適性および細菌の増殖速度に影響を与える可能性がある。したがって、栽培中の細胞集団からの1つの競合株の排除が単にフルオロフォアの悪影響によるものであることを排除するために、以下の実験を行うことを推奨する。

1. 実験全体を繰り返し、逆に標識された株を共同栽培する(例えば、以前の cfp標識株は yfp 遺伝子で標識され、 その逆も同様である)。逆であるが、得られた結果は、一方の株が他の株よりも選択的な成長優位性を有するという以前の観察と同等であるべきである。
2. 実験全体を繰り返し、yfpおよびcfpでラベル付けされた同等体性株(例えばBP40(rocG⁺ gudB^CR amyE::P_gudB-yfp)およびBP41(rocG⁺ gudB^CR amyE::P_gudB-cfp))を共同栽培する。時間の経過に伴う細胞集団の組成に従うことによって、細菌の適合性に対する2つのフルオロフォアのどちらかの負の効果を推定する。

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結果

ここで説明した方法は、フルオロフォアCFPおよびYFPをコードするcfp遺伝子およびyfp遺伝子で標識されたB.サチリス株からなる細胞集団における種内競争を可視化するために、それぞれうまく適用された。図3に示すように、この方法は、非常に例示的な方法で種内競争を視覚化するために使用することができる。小さな領域にサンプルを見つけることによって?...

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ディスカッション

細菌の競争力のある適合性を分析するためにいくつかの方法が開発されています¹⁶.多くの場合、細菌は異なる抗生物質耐性カセット¹⁷で標識された。我々のアプローチと同様に、抗生物質耐性カセットを用いた細胞の標識は、定義された成長条件下での共培養中の細菌の競争力の適合性の評価を可能にする。さらに、この方法は、染色体¹⁷上の特定の軌跡において互い...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
(NH4)2SO4	Roth, Germany	3746
Agar	Difco, USA	214010
Ammonium ferric citrate (CAF)	Sigma-Aldrich, Germany	9714
CaCl2	Roth, Germany	5239
Glucose	Applichem, Germany	A3617
Glycerol	Roth, Germany	4043
K2HPO4•3H2O	Roth, Germany	6878
KCl	Applichem, Germany	A3582
KH2PO4	Roth, Germany	3904
KOH	Roth, Germany	6751
MgSO4•7H2O	Roth, Germany	P027
MnCl2	Roth, Germany	T881
MnSO4•4H2O	Merck Millipore, Germany	102786
NaCl	Roth, Germany	9265
Nutrient broth	Roth, Germany	X929
Potassium glutamate	Applichem, Germany	A3712
Tryptone	Roth, Germany	8952
Tryptophan	Applichem, Germany	A3445
Yeast extract	Roth, Germany	2363
1.5 ml Reaction tubes	Sarstedt, Germany	72,690,001
2.0 ml Reaction tubes	Sarstedt, Germany	72,691
15 ml Plastic tubes with screw cap	Sarstedt, Germany	62,554,001
Petri dishes	Sarstedt, Germany	82.1473
1.5 ml Polystyrene cuvettes	Sarstedt, Germany	67,742
15 ml Glass culture tubes	Brand, Germany	7790 22
100 ml Shake flasks with aluminium caps	Brand, Germany	928 24
Sterile 10 ml glass pipettes	Brand, Germany	278 23
Incubator (28 and 37 °C)	New Brunswick	M1282-0012
Standard pipette set (2-20 μl, 10-100 μl, 100-1,000 μl)	Eppendorf, Germany	4910 000.034, 4910 000.042,
Table top centrifuge for 1.5 and 2 ml reaction tubes	Thermo Scientific, Heraeus Fresco 21, Germany	75002425
Table top centrifuge for 15 ml plastic tubes	Heraeus Biofuge Primo R, Germany	75005440
Standard spectrophotometer	Amersham Biosciences Ultrospec 2100 pro, Germany	80-2112-21
Stereofluorescence microscope	Zeiss SteREO Lumar V12, Germany	495008-0009-000
Freezer (-20 and -80 °C)	-	-
Fridge (4 °C)	-	-
Autoclave	Zirbus, LTA 2x3x4, Germany	-
pH meter	pH-meter 766, Calimatic, Knick, Germany	766
Vortex	Vortex 3, IKA, Germany	3340000
Balance	CP2202S, Sartorius, Germany	replaced by
Black pen (permanent marker)	Staedler, Germany	317-9
Powerpoint program	Microsoft, USA	-
Office Excel program	Microsoft, USA	-	Program for data processing
Adobe Photoshop CS5	Adobe, USA	replaced by CS6, download	Computer program for image processing
Computer	PC or Mac	-
ZEN pro 2011 software for the stereofluorescence microscope	Zeiss, Germany	410135 1002 110	AxioCam MRc Rev. Obtained through Zeiss
Specific solution recipes
SP Medium
8 g Nutrient broth
0.25 mg MgSO4•7H2O
1 g KCl
15 g agar for solid SP medium			if required
add 1 L with H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
1 ml CaCl2 (0.5 M), sterilized by filtration
1 ml MnCl2 (10 mM), sterilized by filtration
2 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
LB Medium
10 g Tryptone
5 g Yeast extract
10 g NaCl
15 g agar for solid LB medium			if required
add 1 L with H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
C-Glc Minimal Medium
200 ml 5 x C salts
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml III’ salts
25 ml Glucose (20%)			autoclaved for 20 min at 121 °C
add 1 L with sterile H2O
CE-Glc Minimal Medium
200 ml 5 x C salts
10 ml L-Tryptophan (5 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml ammonium ferric citrate (CAF, 2.2 mg/ml), sterilized by filtration
10 ml III’ salts
20 ml Glutamate (40%)
25 ml Glucose (20%), autoclaved for 20 min at 121 °C
add 1 L with sterile H2O
5 x C salts
20 g KH2PO4
80 g K2HPO4•3H2O
16.5 g (NH4)2SO4
add 1 L with sterile H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
III’ salts
0.232 g MnSO4•4H2O
12.3 g MgSO4•7H2O
add 1 L with sterile H2O, autoclave for 20 min at 121 °C
40% Glutamate solution
200 g L-Glutamic acid
adjust the pH to 7.0 by adding approximately 80 g KOH
add 0.5 L with sterile H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
0.9% Saline (NaCl) Solution
add 1 L with sterile H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
50% Glycerol solution
295 ml Glycerol (87%)
add 0.5 L with sterile H2O			autoclave for 20 min at 121 °C
Bacteria (All strains are based on the Bacillus subtilis strain 168)
Bacillus subtilis BP40 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-yfp)	Laboratory strain collection
Bacillus subtilis BP41 (rocG+ gudBCR amyE::PgudB-cfp)
Bacillus subtilis BP52 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-cfp)
Bacillus subtilis BP156 (rocG+ gudB+ amyE::PgudB-yfp)