Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Биопленки образуются на поверхности зубов, являются очень сложными и подвергаются постоянной врожденной и экзогенных экологических проблем, которые модулируют их архитектуре, физиологии и транскриптом. Мы разработали инструментарий для изучения состава, структурной организации и экспрессии генов устных биопленок, которые могут быть адаптированы к другим областям биопленки исследований.
Biofilms are highly dynamic, organized and structured communities of microbial cells enmeshed in an extracellular matrix of variable density and composition 1, 2. In general, biofilms develop from initial microbial attachment on a surface followed by formation of cell clusters (or microcolonies) and further development and stabilization of the microcolonies, which occur in a complex extracellular matrix. The majority of biofilm matrices harbor exopolysaccharides (EPS), and dental biofilms are no exception; especially those associated with caries disease, which are mostly mediated by mutans streptococci 3. The EPS are synthesized by microorganisms (S. mutans, a key contributor) by means of extracellular enzymes, such as glucosyltransferases using sucrose primarily as substrate 3.
Studies of biofilms formed on tooth surfaces are particularly challenging owing to their constant exposure to environmental challenges associated with complex diet-host-microbial interactions occurring in the oral cavity. Better understanding of the dynamic changes of the structural organization and composition of the matrix, physiology and transcriptome/proteome profile of biofilm-cells in response to these complex interactions would further advance the current knowledge of how oral biofilms modulate pathogenicity. Therefore, we have developed an analytical tool-box to facilitate biofilm analysis at structural, biochemical and molecular levels by combining commonly available and novel techniques with custom-made software for data analysis. Standard analytical (colorimetric assays, RT-qPCR and microarrays) and novel fluorescence techniques (for simultaneous labeling of bacteria and EPS) were integrated with specific software for data analysis to address the complex nature of oral biofilm research.
The tool-box is comprised of 4 distinct but interconnected steps (Figure 1): 1) Bioassays, 2) Raw Data Input, 3) Data Processing, and 4) Data Analysis. We used our in vitro biofilm model and specific experimental conditions to demonstrate the usefulness and flexibility of the tool-box. The biofilm model is simple, reproducible and multiple replicates of a single experiment can be done simultaneously 4, 5. Moreover, it allows temporal evaluation, inclusion of various microbial species 5 and assessment of the effects of distinct experimental conditions (e.g. treatments 6; comparison of knockout mutants vs. parental strain 5; carbohydrates availability 7). Here, we describe two specific components of the tool-box, including (i) new software for microarray data mining/organization (MDV) and fluorescence imaging analysis (DUOSTAT), and (ii) in situ EPS-labeling. We also provide an experimental case showing how the tool-box can assist with biofilms analysis, data organization, integration and interpretation.
1. ШАГ 1 - биопробы
Биопленки метод использует диски гидроксиапатита (ГА) в качестве суррогатной зуба (Кларксон хроматографии Products, Inc, Южной Уильямспорт, Пенсильвания, США; площадь поверхности = 2,7 ± 0,2 см 2) покрытый слюной (имитируя наличие приобрел пленку), размещаемых в вертикальном положении, 4, 5, 8.
2. ШАГ 2 - RAW ДАННЫХ
Входной необработанные данные из биохимических и РТ-КПЦР анализов непосредственно в сырье файла данных (RDF-файл MS Excel). Для микрочипов данных, нагрузка одноканального изображения отсканированных слайдов в JCVI Spotfinder (http://pfgrc.jcvi.org/index.php/bioinformatics.html) или аналогичное программное обеспечение. Создать месте сетки по JCVI спецификаций, а затем вручную настроить, чтобы соответствовать все места в сетке. Измерьте интенсивность значения каждого пятна и сохранить в ". МэВ" файлы и хранятся в "Исходные данные Microarray".
3. ШАГ 3 - ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Организация сырые данные (биохимические и РТ-КПЦР) в RDF для статистического анализа. Передача их в "данных, обрабатываемых файлов" (DPF - MS Excel файл). Для анализа изображений микрочипов и флуоресценция, специальное программное обеспечение (в настоящее время в наличии и на заказ) используются для обработки данных.
4. ШАГ 4 - АНАЛИЗ ДАННЫХ
Количественные данные биохимических, RT-КПЦР и КОМСТАТ-DUOSTAT анализы в DPF готовы для статистического анализа. После статистического анализа выполняется, графики и / или таблицы может быть построена (см. "Результаты представитель" раздел).
1. Microarray организации данных с помощью программного обеспечения Microarray данных Visualizer (МДВ).
Из-за сложности и вывода больших массивов данных при использовании микрочипов и нескольких экспериментальных условиях, мы разработали программное обеспечение интеллектуального анализа данных и организации под названием Microarray данных Visualizer (МДВ) 7 (доступны на http://www.oralgen.lanl.gov/) .
После проведения статистического анализа с использованием BRB-ArrayTools (http://linus.nci.nih.gov/BRB-ArrayTools.html) со значением отсечки Р 0,001 для класса прогнозирования и для класса сравнения, данные, полученные могут быть представлены для MDV, следующим образом:
5. ПРЕДСТАВИТЕЛЬ РЕЗУЛЬТАТЫ
Здесь мы приведем пример того, как аналитический инструмент коробки интегрирует различные анализы биопленки исследования с нескольких переменных и условий эксперимента.
Экспериментальные случае:
Динамика mutans Streptococcus транскриптома в ответ на крахмала и сахарозы в течение биопленки развития 7.
Справочная информация:
Взаимодействий диетического крахмала и сахарозы с принимающими слюнных амилазы и стрептококковой glucosyltransferases может повысить образование и вирулентности S. mutans в пределах биопленки на приращенияasing экзополисахариды синтеза, обмена веществ и сахара acidogenicity 11. Этот комплекс хозяин-патоген-диета взаимодействие может модулировать образование патогенных биопленки, связанные с стоматологических заболеваний кариесом. Мы провели всесторонний биохимических и transcriptomic анализа (в том числе целый профилирования геномной) в целях дальнейшего понять, как С. mutans реагирует на крахмала и сахарозы в различных стадиях развития биопленки в присутствии амилазы 7.
Аналитический инструмент, коробки были использованы, чтобы помочь нам в интеграции биохимические и молекулярные анализы биопленки образуются при различных экспериментальных условиях и временных точках. Общий объем производства данных с использованием аналитических инструментов окна представлен в последовательно образом на рисунке 4 (4,1 до 4,4). Стоит отметить, что основное внимание здесь, чтобы продемонстрировать полезность набора инструментальных средств, а не интерпретации данных и обсуждения.
Рисунок 1. Блок-схема аналитического инструмента-Box биопленочной анализа.
Рисунок 2. Конфокальной флуоресценции ЭПС и бактерий в биопленки. Одновременная визуализация EPS (красный) и бактерии / микроколоний (зеленый) в трехмерном оказание стрептококками биопленки образуются на поверхности диска ССЗ.
Рисунок 3. Microarray Data Mining и организация Использование Microarray данных Visualizer (MDV) программного обеспечения. Использование функции диаграммы Венна, чтобы выбрать из генов интересов, а также с последующим добавлением имени гена и функциональная аннотация класса.
Рисунок 4.1. Оценка образование биопленки С. mutans с использованием биохимических анализов (А) и RT-КПЦР (B). INS (нерастворимые экзополисахариды) данные хорошо коррелируют с динамикой gtfB выражении, так и с биомассой биопленки. Сахароза на 1% концентрации для максимального формирование INS, gtfB выражения и накопления биопленки на поверхности SHA в то время как 0,5% сахарозы была минимальной концентрации, необходимые для оптимального развития биопленки используя нашу модель в пробирке. С. mutans клеток, выращенных в присутствии 0,5% сахарозы + 1% крахмала, привел к самой высокой биомассой, и представил более INS, чем другие биопленки, что коррелировало с повышенной gtfB выражение (B2). Эти углеводы концентрации были отобраны для дальнейшего транскриптом анализа.
Рисунок 4.2. Microarray данные анализа с использованием BRB-Array инструменты в сочетании с программным обеспечением MDV. а) представлять число генов определяется как разному экспрессируются в каждой сравнения (A, B или C) и момент времени оцениваются с помощью BRB-Array Tools. б) Microarray данных Visualizer (МДВ) с помощью диаграммы Венна для выбора генов, представляющих интерес. в) Гены выбраны в соответствии с анализом MDV.
Рисунок 4.3. С. mutans генов, дифференциально экспрессирующихся в крахмале + сахароза-биопленок (по сравнению с сахарозой, биопленки), на различных временных точках организована функционального класса. Гена аннотации основаны на информации, предоставленной в Лос-Аламосской национальной лаборатории (www.oralgen.lanl.gov) или по литературе доступны на том же сайте.
Рисунок 4.4. Трехмерная визуализация и КОМСТАТ-DUOSTAT анализа крахмала + сахароза-биопленки.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
В этой презентации мы показали два важных компонентов аналитического инструмента-Box (EPS / бактерий визуализации и анализа данных микрочипов / обработки), универсальность и полезность различных анализов интегрированы в систему. Очевидно, ящик для инструментов способствовало всеобъемлю...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Гэри Се и Герберта Ли за развитие MDV. Мы также благодарим д-ра. Симоне Дуарте, Рамиро Murata, Дже-Гю Чон, Жаклин Abranches, и г-жа Грегуар Стейси за их техническим и научным вкладом в аналитические компоненты набора инструментальных средств. Это исследование было поддержано частично USPHS Исследовательский грант DE018023 из Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Syto 9 | Invitrogen | S34854 | |
Syto 60 | Invitrogen | S11342 | |
Dextran conjugated alexa 647 | Invitrogen | D22914 | |
Olympus FV1000 two-photon laser scanning microscope | Olympus Corporation |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены