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Vamos mostrar o uso de gradientes de densidade descontínuo para separar populações bacterianas baseadas na produção da cápsula. Este método é usado para comparar a quantidade de cápsulas entre culturas, isolar os mutantes com um fenótipo específico da cápsula, ou para identificar os órgãos reguladores da cápsula. Aqui descrito é a otimização e a execução do ensaio.
A cápsula é um factor de virulência chave em muitas espécies bacterianas, mediação de evasão imune e resistência a várias tensões físicas. Enquanto muitos métodos estão disponíveis para quantificar e comparar a produção da cápsula entre diferentes cepas ou mutantes, não há nenhum método amplamente usado para classificar bactérias com base na cápsula do quanto que eles produzem. Nós desenvolvemos um método para separar as bactérias por cápsula quantidade, usando um gradiente descontínuo de densidade. Este método é usado para comparar valores cápsula semi-quantitativamente entre culturas, para isolar os mutantes com produção de cápsula alterado e para purificar bactérias capsuladas de amostras complexas. Esse método também pode ser acoplado a sequenciação de transposon-inserção para identificar genes envolvidos no Regulamento da cápsula. Aqui, o método é demonstrado detalhadamente, inclusive como otimizar as condições de gradientes de uma nova espécie bacteriana ou estirpe e como construir e executar o gradiente de densidade.
Muitas espécies bacterianas produzem uma cápsula de polissacarídeo, que protege a célula bacteriana de várias tensões físicas e de reconhecimento e matar pelo sistema imunológico. Em Klebsiella pneumoniae, produção da cápsula é uma exigência absoluta de infecção1,2. Cápsula de K. pneumoniae Medeia resistência de peptídeos antimicrobianos, resistência à morte mediada por complemento, prevenção da fagocitose e supressão da resposta imune inata3. Excesso de produção da cápsula está associado com aumento da virulência e infecções adquirida na Comunidade (ao invés de nosocomiais)4.
Uma variedade de testes quantitativos e qualitativos estão disponíveis para investigar a produção da cápsula. Para espécies de Klebsiella , estes incluem a sequência teste5, no qual um palito tocou para uma colônia é puxado para cima e o comprimento da sequência de caracteres produzido medido e o mucoviscosity do ensaio6, que envolve a centrifugação lenta de uma cultura seguida pela medição da densidade óptica do líquido sobrenadante. Esses métodos são simples e rápidos, mas falta sensibilidade quando usado na clássica Klebsiella cepas ao invés de cápsula cepas de sobreprodução. Outro método de quantificação da cápsula é o ensaio de Ácido urónico, que é tecnicamente desafiador e requer o uso de ácido sulfúrico concentrado1. Finalmente, a cápsula é visível diretamente pela microscopia (figura 1A). Esses métodos, apenas microscopia permite ao usuário observar Estados capsulatum diferentes dentro de uma única população, e nenhum desses métodos permite a separação física de bactérias capsuladas e não capsuladas.
Separações com base em densidade por centrifugação gradiente são usadas rotineiramente em biologia celular para purificar a célula eucariótica diferentes tipos7, mas raramente são utilizadas na investigação microbiológica. O ensaio de mucoviscosity para Klebsiella baseia-se na observação de que as bactérias capsuladas altamente demoram mais tempo a pelota por centrifugação, e nós raciocinou que isto pode ser devido a reduzida densidade total de células capsuladas. O método mostrado aqui foi desenvolvido para separar populações de K. pneumoniae fisicamente pelo montante da cápsula, usando centrifugação gradiente de densidade (Figura 1). Esse método foi aplicado com sucesso a Streptococcus pneumoniae, indicando que é aplicável a outras espécies bacterianas. Separação de gradiente de densidade de uma biblioteca de mutante transposon saturada juntamente com sequenciamento de transposon-inserção (densidade-TraDISort) tem sido utilizado para identificar os genes envolvidos na produção e regulação da cápsula8. Da mesma forma, este método foi usado em conjunto com aleatório-prime cadeia da polimerase (PCR) de colônias individuais para isolar não-capsuladas K. pneumoniae mutantes. Esse método também pode ser usado para comparações rápidas da produção da cápsula entre as populações diferentes e condições, ou para purificar bactérias capsuladas de amostras complexas (figura 1B). Finalmente, há a opção para ensaiar outros fenótipos que afetam a densidade, tais como o tamanho da célula ou agregação.
Este manuscrito demonstra como otimizar o processo para uma nova espécie bacteriana ou estirpe e demonstra a construção e exploração de um gradiente descontínuo de densidade para separar bactérias capsuladas-hiper, capsuladas e não capsuladas.
Nota: Certifique-se de que quaisquer avaliações de risco aplicáveis para as cepas bacterianas são seguidas quando cultivo e manipulação de amostras. Esteja ciente de que a criação de uma só vez gradientes demais pode levar a perturbações músculo-esqueléticas devido à pressão nas articulações da pipetagem lento envolvidas. Plano de trabalho e tomar precauções para evitar ferimentos.
1. preparação de estirpes bacterianas ou bibliotecas mutantes
2. preparação de diluições de gradientes e gradiente mini teste
3. preparação de células para o experimento principal
4. preparação de gradientes de densidade descontínuos
Nota: Um método alternativo de preparação gradiente de fundo (concentrado) ao topo (menos concentrada) utilizando uma pipeta é descrito na etapa 7.
5. adicionando células preparadas para gradientes e separação por centrifugação
6. recuperação de frações de amostra e consequência opcional passo
7. alternativo método para preparação de gradiente de fundo (concentrado) para cima (menos concentrada) usando uma pipeta
8. medida da quantidade de cápsulas por Ácido urónico ensaio
Resultados representativos são mostrados na Figura 2. O resultado exato para esperar dependerá da espécie bacteriana, a afinação dos gradientes de densidade, e se o usuário está examinando uma cepa única ou um pool de mutantes. Maioria das cepas migrará para um único local dentro de um gradiente, como mostrado na Figura 2A e 2D. Aplicação do método em uma biblioteca de mutante bacteriana dará origem a uma grande banda acima de gradiente, uma banda menos densa, distribuído através da camada superior do gradiente e uma fração menor acapsular na parte inferior (Figura 2B). Estas frações diferem na quantidade de cápsula como mostrado por um ensaio para ácidos urônicos (Figura 2B). Sequenciamento de inserção Transposon de frações individuais resulta em clara localização dos mutantes específicos dentro de diferentes frações de gradientes, como mostrado para o locus de biossíntese da cápsula de ATCC43816 de K. pneumoniae (Figura 2C). Resultados representativos para culturas puras de K. pneumoniae NTUH-K2044 e S. pneumoniaee biossíntese de cápsulas diferente ou regulamentares mutantes, são mostrados na Figura 2,D.
Figura 1 : Esquemático do método de centrifugação de densidade para separar as bactérias com base na cápsula e suas aplicações. Célula do (A), uma imagem de microscopia eletrônica de um capsuladas Klebsiella pneumoniae . A cápsula é visível como uma camada densa do lado de fora da célula. (B) aplicações de centrifugação de densidade para o estudo das bactérias capsuladas. (Bi) Separação de densidade pode ser usada para gerar alta - baixa- e não-cápsula fracções de uma biblioteca de transposon mutant e seguida por sequenciamento de inserção transposon definir genes que influenciam a produção da cápsula. (Bii) Purificação de bactérias capsuladas de uma amostra complexa. (Bill) Uso de separação baseado em densidade para comparações rápidas de cápsula quantidade entre as amostras. Este método também permite a visualização da produção da cápsula heterogênea em populações bacterianas, como mostrado em (Biii). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Resultados representativos. (A) exemplo da saída de gradiente mini testes. Dois diferentes cepas de K. pneumoniae foram centrifugadas em 1 mL de meio gradiente de densidade de 15%. A estirpe NTUH-K2044 hypermucoviscous mantidos acima da camada Médio gradiente de densidade, enquanto ATCC43816 (que faz menos cápsula) migra para o fundo da camada. (Bi) Utilização de um gradiente de densidade para separar uma biblioteca mutante transposon em três fracções. Observe que a fração inferior contém uma baixa proporção de mutantes e não é visível nesta foto. (Bii) Validação de quantidades diferentes de cápsulas no topo, meio e frações de fundo usando um ensaio de ácidos urônicos. Células do fundo superior, médio e Superdimensonada frações foram isoladas e resuspended em PBS para uma OD600 de 4, então cápsula de polissacarídeos extraídos e ácidos urônicos medida1. (C) resultados de densidade-TraDISort exemplo. Locais de mutação identificadas são mostrados por linhas azuis acima o diagrama do cromossomo. Mutantes sem cápsula podem ser identificados como aquelas que estão presentes na biblioteca de entrada mas estão esgotadas na fração superior enquanto sendo enriquecido na fração inferior, como mostrado aqui para a biossíntese de cápsula locus8. (D) um exemplo do uso de centrifugação gradiente de densidade para comparar a quantidade de cápsulas entre tipo selvagem e mutantes cepas de K. pneumoniae NTUH-K2044 e S. pneumoniae 23F. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A cápsula é um factor de virulência importante em muitas espécies bacterianas incluindo K. pneumoniae3, Streptococcus pneumoniae9, Acinetobacter10e Neisseria11 espécies. Embora existem vários métodos para quantificação e visualização de cápsulas bacterianas, neste momento, há nenhum método amplamente utilizado para separar fisicamente as células capsuladas e não capsuladas. Neste artigo, temos demonstrado um método robusto para separação baseada em cápsula de populações bacterianas, com múltiplas aplicações potenciais em conjunto com diferentes protocolos de upstream ou downstream.
A presença de uma cápsula de superfície pode reduzir a densidade de célula bacteriana, que permite a separação por centrifugação de gradiente de densidade (Figura 2D). Podemos ter validado esse método em K. pneumoniae NTUH-K204412 e ATCC4381613 , bem como em 23F de Streptococcus pneumoniae 14 e seu mutante decps Δ15. Esse método usa Percoll16 como o principal constituinte do gradiente de densidade, que é uma suspensão de partículas de sílica coloidal revestidas com baixa viscosidade e nenhuma toxicidade para bactérias - em princípio, outras substâncias que satisfazem estes critérios pode ser usado para estabelecer o gradiente de densidade.
Isso pode ser um desafio para garantir que camadas de densidade diferente não se misturam ao construir gradientes de densidade, e se mistura ocorrer, o método de separação não dará resultados limpos. Apresentamos a seguir dois métodos alternativos para despejar os gradientes, usando uma agulha ou uma pipeta — ambos são eficazes, e qual método usar é simplesmente uma questão de preferência. Para todas as etapas que envolvem a pipetagem de uma substância (uma suspensão bacteriana, ou uma camada de gradiente mais diluída) acima de uma camada de gradiente, pipetagem várias alíquotas de volumes menores pode tornar mais fácil para conseguir uma interface afiada sem qualquer mistura de camadas.
Uma limitação do presente protocolo é que seu desempenho com outras espécies bacterianas não pode ser garantido. Portanto, é fundamental ao examinar uma nova espécie bacteriana ou tensão para validar a separação baseada na densidade usando um método de quantificação da cápsula adicional, independente. Visualizando as bactérias presentes em cada fração pela microscopia com manchas de cápsula adequadas é um método confiável para os quais protocolos detalhados estão disponíveis17. Alternativamente, cápsulas contendo ácidos urônicos (tais como aqueles de Escherichia coli e K. pneumoniae) podem ser quantificadas por um ensaio específico, conforme mostrado na Figura 2B1. O teste de centrifugação-baseado mucoviscosity não é apropriado como um método de validação independente, como este ensaio também depende da densidade das células bacterianas.
Outra limitação desse método é que a produção da cápsula é muito sensível às condições de cultura e mesmo as pequenas alterações ao meio de crescimento, temperatura, ou aeração pode afetar os resultados deste teste. Para minimizar esse problema, pesquisadores podem usar um meio de crescimento definido ou um meio complexo consistente com o lote, manter todos os outros parâmetros de crescimento idênticas entre experiências e incluem estirpes de controlo adequadas para permitir a interpretação dos resultados inesperados . Algumas cápsulas bacterianas são frágeis e podem distorcer longe da célula quando culturas são pipetadas. Para evitar o corte de cápsulas, culturas devem ser centrifugadas e resuspended não mais que duas vezes durante a preparação para o carregamento do gradiente. Se a perda da cápsula durante a concentração das culturas permanece problemática, culturas bacterianas podem ser aplicadas a um gradiente de densidade diretamente, com um volume maior de suspensão bacteriana adicionado se necessário para visualização.
Futuras aplicações deste método são a aplicá-la a outras espécies bacterianas e usar esta separação em conjunto com diferentes tecnologias de upstream e downstream. Além da densidade-TraDISort8, sugerimos que separação gradiente de densidade de bactérias capsuladas poderia ser utilizada para isolamento de mutantes com cápsula alterada, para a purificação de células capsuladas de culturas mistas ou amostras complexas e para rápida criação de perfil de produção da cápsula em múltiplas variedades. Finalmente, esta tecnologia poderia ser usada para examinar outros fenótipos bacterianos como agregação.
Os autores têm sem interesses financeiros para divulgar.
Agradecemos a Wang Jin-cidade e Susannah Salter para fornecimento das estirpes e membros do grupo Parkhill para debates úteis. Este trabalho foi financiado pelo Instituto de Sanger Wellcome (Wellcome grant 206194) e por uma bolsa de pós-doutorado de Sir Henry Wellcome para F.L.S. (concessão 106063/A/14/Z). M.J.D. é suportado por um Wellcome Sanger Institute PhD Studentship.
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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