In Situ Chemotaxis Assay zur Untersuchung des mikrobiellen Verhaltens in aquatischen Ökosystemen

Hier wird das Protokoll für einen In-situ-Chemotaxis-Assay vorgestellt, ein kürzlich entwickeltes mikrofluidisches Gerät, das Studien des mikrobiellen Verhaltens direkt in der Umwelt ermöglicht.

Mikrobielle Verhaltensweisen wie Motilität und Chemotaxis (die Fähigkeit einer Zelle, ihre Bewegung als Reaktion auf einen chemischen Gradienten zu verändern), sind in den bakteriellen und archaealen Bereichen weit verbreitet. Chemotaxis können in heterogenen Umgebungen erhebliche Vorteile beim Erwerb von Ressourcen mit sich bringen. Es spielt auch eine entscheidende Rolle bei symbiotischen Wechselwirkungen, Krankheiten und globalen Prozessen, wie biogeochemische Radfahren. Aktuelle Techniken beschränken jedoch die Chemotaxis-Forschung auf das Labor und sind im Feld nicht leicht anwendbar. Hier wird ein Schritt-für-Schritt-Protokoll für den Einsatz des In-situ-Chemotaxis-Assays (ISCA) vorgestellt, einem Gerät, das eine robuste Abfrage von mikrobiellen Chemotaxis direkt in der natürlichen Umgebung ermöglicht. Die ISCA ist ein mikrofluidisches Gerät, das aus einem 20-Well-Array besteht, in das Chemikalien von Interesse geladen werden können. Einmal in wässrigen Umgebungen eingesetzt, diffundieren Chemikalien aus den Brunnen und erzeugen Konzentrationsgradienten, die Mikroben spüren und darauf reagieren, indem sie über Chemotaxis in die Brunnen schwimmen. Der Brunneninhalt kann dann beprobt und verwendet werden, um (1) die Stärke der chemotaktischen Reaktionen auf bestimmte Verbindungen durch Durchflusszytometrie zu quantifizieren, (2) isolierbare und kulturresponsive Mikroorganismen zu isolieren und (3) die Identität und das genomische Potenzial der antwortenden Populationen durch molekulare Techniken zu charakterisieren. Die ISCA ist eine flexible Plattform, die in jedem System mit wässriger Phase eingesetzt werden kann, einschließlich Meeres-, Süßwasser- und Bodenumgebungen.

Verschiedene Mikroorganismen verwenden Beweglichkeit und Chemotaxis, um lückenhafte Nährstoffumgebungen auszubeuten, Wirte zu finden oder schädliche Bedingungen zu vermeiden^1,2,3. Diese mikrobiellen Verhaltensweisen können wiederum die Raten der chemischen Transformation beeinflussen⁴ und symbiotische Partnerschaften in terrestrischen, Süßwasser- und marinen Ökosystemen fördern^2,5.

Chemotaxis wurde in den letzten 60 Jahren unter Laborbedingungen ausgiebig untersucht<....

Wir empfehlen, Abschnitt 1 vor Feldversuchen auszuführen, um die Ergebnisse zu optimieren.

1. Laboroptimierung

HINWEIS: Die im Optimierungsverfahren beschriebenen Volumina reichen für eine einzelne ISCA (bestehend aus 20 Brunnen) aus.

1. Herstellung der Chemikalie von Interesse
   HINWEIS: Die optimale Konzentration für jeden Chemo-Plünderer muss oft unter Laborbedingungen vor Feldeinsätzen bestimmt werden. Das Feld der chemischen Konzentration wird mit .......

Dieser Abschnitt stellt Laborergebnisse mit der ISCA vor, um die chemotaktische Reaktion von Marinemikroben auf einen Konzentrationsbereich von Glutamin zu testen, einer Aminosäure, die bekanntermaßen Bodenbakterien anzieht¹⁴. Die Konzentration von Glutamin, die die stärkste chemotaktische Reaktion in den Labortests auslöste, wurde verwendet, um einen Chemotaxis-Assay in der Meeresumwelt durchzuführen.

Zur Durchführung der Labortests wurden Meerwassergemeinschafte.......

Auf der Skala der aquatischen Mikroorganismen ist die Umwelt bei weitem nicht homogen und ist oft durch physikalische/chemische Gradienten gekennzeichnet, die mikrobielle Gemeinschaften^1,15strukturieren. Die Fähigkeit von motilen Mikroorganismen, Verhalten (d.h. Chemotaxis) zu verwenden, erleichtert die Nahrungsaufnahme innerhalb dieser heterogenen Mikroumgebungen¹. Das Studium von Chemotaxis direkt in der Umwelt hat das Potenzial, wichti.......

Diese Forschung wurde zum Teil von der Gordon and Betty Moore Foundation Marine Microbiology Initiative finanziert, indem sie GBMF3801 an J.R.S. und R.S., und einen Investigator Award (GBMF3783) an R.S. sowie ein Australian Research Council Fellowship (DE160100636) an J.B.R., eine Auszeichnung der Simons Foundation an B.S.L. (594111) und ein Stipendium der Simons Foundation (542395) an R.S. im Rahmen der Principles of Microbial Ecosystems (PriME) Collaborative.