Name: live-cell fluorescence microscopy to investigate subcellular protein localization and cell morphology changes in bacteria
Uploaded: 2019-11-23T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Live-Cell Fluorescence Microscopy to Investigate Subcellular Protein Localization and Cell Morphology Changes in Bacteria at JoVE.com

Agradecemos a nuestros miembros del laboratorio por sus comentarios sobre este artículo. Este trabajo fue financiado por una beca de puesta en marcha de la Universidad del Sur de Florida (PE).

1. Condiciones generales de crecimiento
<ol><li>Inocular 2 ml de medio de crecimiento adecuado suplementado con antibióticos (cuando sea necesario) con una sola colonia de la(s) cepa(s) a la imagen. Incubar estos cultivos de semillas durante la noche a 22 oC en una incubadora de temblores. NOTA: Las condiciones específicas de crecimiento bacteriano utilizadas en este artículo se proporcionan en la sección de resultados representativos.</li>
	<li>Diluir los cultivos nocturnos 1:20 en medios frescos en un matraz d...

<ol>
	<li>Coltharp, C., Xiao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superresolution+microscopy+for+microbiology.">Superresolution microscopy for microbiology.</a> Cellular Microbiology. 14 (12), 1808-1818 (2012).</li><li>Holden, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+mechanistic+principles+of+bacterial+cell+division+with+super-resolution+microscopy.">Probing the mechanistic principles of bacterial cell division with super-resolution microscopy.</a> Current Opinion in Microbiology. 43, 84-91 (2018).</li><li>Hsu, Y. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Full+color+palette+of+fluorescent+d-amino+acids+for+in+situ+labeling+of+bacterial+cell+walls.">Full color palette of fluorescent d-amino acids for in situ labeling of bacterial cell walls.</a> Chemical Science. 8 (9), 6313-6321 (2017).</li><li>Nonejuie, P., Burkart, M., Pogliano, K., Pogliano, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+cytological+profiling+rapidly+identifies+the+cellular+pathways+targeted+by+antibacterial+molecules.">Bacterial cytological profiling rapidly identifies the cellular pathways targeted by antibacterial molecules.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 110 (40), 16169-16174 (2013).</li><li>Rueden, C. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ImageJ2:+ImageJ+for+the+next+generation+of+scientific+image+data.">ImageJ2: ImageJ for the next generation of scientific image data.</a> BioMed Central Bioinformatics. 18 (1), 529 (2017).</li><li>Colville, K., Tompkins, N., Rutenberg, A. D., Jericho, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+poly(L-lysine)+substrates+on+attached+Escherichia+coli+bacteria.">Effects of poly(L-lysine) substrates on attached Escherichia coli bacteria.</a> Langmuir. 26 (4), 2639-2644 (2010).</li><li>McNally, J. G., Karpova, T., Cooper, J., Conchello, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+imaging+by+deconvolution+microscopy.">Three-dimensional imaging by deconvolution microscopy.</a> Methods. 19 (3), 373-385 (1999).</li><li>Wallace, W., Schaefer, L. H., Swedlow, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+workingperson's+guide+to+deconvolution+in+light+microscopy.">A workingperson's guide to deconvolution in light microscopy.</a> Biotechniques. 31 (5), 1076-1082 (2001).</li><li>Eswara, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+essential+Staphylococcus+aureus+cell+division+protein+directly+regulates+FtsZ+dynamics.">An essential Staphylococcus aureus cell division protein directly regulates FtsZ dynamics.</a> Elife. 7, (2018).</li><li>Haeusser, D. P., Margolin, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Splitsville:+structural+and+functional+insights+into+the+dynamic+bacterial+Z+ring.">Splitsville: structural and functional insights into the dynamic bacterial Z ring.</a> Nature Reviews Microbiology. 14 (5), 305-319 (2016).</li><li>Du, S., Lutkenhaus, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=At+the+Heart+of+Bacterial+Cytokinesis:+The+Z+Ring.">At the Heart of Bacterial Cytokinesis: The Z Ring.</a> Trends in microbiology. , (2019).</li><li>Haranahalli, K., Tong, S., Ojima, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+the+discovery+and+development+of+antibacterial+agents+targeting+the+cell-division+protein+FtsZ.">Recent advances in the discovery and development of antibacterial agents targeting the cell-division protein FtsZ.</a> Bioorganic and Medicinal Chemistry. 24 (24), 6354-6369 (2016).</li><li>Brzozowski, R. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deciphering+the+Role+of+a+SLOG+Superfamily+Protein+YpsA+in+Gram-Positive+Bacteria.">Deciphering the Role of a SLOG Superfamily Protein YpsA in Gram-Positive Bacteria.</a> Frontiers in Microbiology. 10, 623 (2019).</li><li>Elsen, N. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+of+action+of+the+cell-division+inhibitor+PC190723:+modulation+of+FtsZ+assembly+cooperativity.">Mechanism of action of the cell-division inhibitor PC190723: modulation of FtsZ assembly cooperativity.</a> Journal of the American Chemical Society. 134 (30), 12342-12345 (2012).</li><li>Haydon, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+inhibitor+of+FtsZ+with+potent+and+selective+anti-staphylococcal+activity.">An inhibitor of FtsZ with potent and selective anti-staphylococcal activity.</a> Science. 321 (5896), 1673-1675 (2008).</li><li>Pilhofer, M., Ladinsky, M. S., McDowall, A. W., Jensen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+TEM:+new+insights+from+cryo-microscopy.">Bacterial TEM: new insights from cryo-microscopy.</a> Methods in Cell Biology. 96, 21-45 (2010).</li><li>Ni, Q., Mehta, S., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Live-cell+imaging+of+cell+signaling+using+genetically+encoded+fluorescent+reporters.">Live-cell imaging of cell signaling using genetically encoded fluorescent reporters.</a> Federation of European Biochemical Societies Journal. 285 (2), 203-219 (2018).</li><li>Weiss, C. A., Hoberg, J. A., Liu, K., Tu, B. P., Winkler, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Cell+Microscopy+Reveals+That+Levels+of+Cyclic+di-GMP+Vary+among+Bacillus+subtilis+Subpopulations.">Single-Cell Microscopy Reveals That Levels of Cyclic di-GMP Vary among Bacillus subtilis Subpopulations.</a> Journal of Bacteriology. 201 (16), (2019).</li><li>Schneider, J. P., Basler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shedding+light+on+biology+of+bacterial+cells.">Shedding light on biology of bacterial cells.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 371 (1707), (2016).</li><li>Yao, Z., Carballido-Lopez, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+imaging+for+bacterial+cell+biology:+from+localization+to+dynamics,+from+ensembles+to+single+molecules.">Fluorescence imaging for bacterial cell biology: from localization to dynamics, from ensembles to single molecules.</a> Annual review of microbiology. 68, 459-476 (2014).</li><li>Ettinger, A., Wittmann, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+live+cell+imaging.">Fluorescence live cell imaging.</a> Methods in Cell Biology. 123, 77-94 (2014).</li><li>Fredborg, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+image+analysis+for+quantification+of+filamentous+bacteria.">Automated image analysis for quantification of filamentous bacteria.</a> BioMed Central Microbiology. 15, 255 (2015).</li><li>Ursell, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=precise+quantification+of+bacterial+cellular+dimensions+across+a+genomic-scale+knockout+library.">precise quantification of bacterial cellular dimensions across a genomic-scale knockout library.</a> BioMed Central Biology. 15 (1), 17 (2017).</li></ol>

La microscopía ha seguido siendo un pilar en los estudios relacionados con organismos microbianos. Dado su tamaño de célula a escala de micrones, los estudios a nivel de una sola célula se han basado tradicionalmente en la microscopía electrónica (EM). Aunque EM se ha convertido en una técnica bastante poderosa en los últimos años, tiene sus propias limitaciones intrínsecas además del acceso limitado de los usuarios16. Las mejoras en las técnicas de microscopía de fluorescencia y el d...

El campo de la biología celular bacteriana se ha visto significativamente mejorado por los recientes avances en las técnicas de microscopía1,2. Entre otros instrumentos, los microscopios que son capaces de realizar experimentos de microscopía de fluorescencia timelapse siguen siendo una herramienta valiosa. Los investigadores pueden monitorear varios eventos fisiológicos en tiempo real utilizando proteínas fluorescentes tales como, fusión de reporteros transcripcionales y traslacionales basados en proteínas fluorescentes verdes (GFP), fluorescentes D-aminoácidos (FDAA)3,o usar otras manchas para etiquetar la pared celular, la membrana y el ADN. Por lo tanto, no es de extrañar que la microscopía de fluorescencia siga siendo popular entre los biólogos de células microbianas. Además de simplemente mostrar los fenotipos finales, proporcionar información sobre cómo surgen los fenotipos observados mediante la microscopía timelapse podría agregar un valor significativo a los hallazgos y potencialmente ofrecer pistas sobre qué procesos celulares están siendo blanco de posibles candidatosa medicamentos 4.
En este artículo se proporcionan los protocolos para realizar imágenes de alta resolución utilizando un microscopio de fluorescencia de campo ancho totalmente motorizado, invertido (véase la Tabla de Materiales). Estos protocolos podrían adaptarse a las necesidades de otros microscopios de fluorescencia que son capaces de realizar microscopía timelapse. Aunque el software discutido aquí corresponde al software específico suministrado por el fabricante como se indica en la Tabla de Materiales,el software comúnmente suministrado por otros fabricantes de microscopios o el ImageJ5de libre disposición, tienen herramientas equivalentes para analizar datos de microscopía. Para condiciones en las que el timelapse no es propicio, se podrían llevar a cabo experimentos de curso de tiempo como se describe en este artículo. Los protocolos descritos aquí proporcionan una guía detallada para estudiar los cambios fenotípicos en dos especies bacterianas diferentes: B. subtilis y S. aureus. Consulte la Tabla 1 para las cepas utilizadas.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Fisher BioReagents</td>
			<td>BP160-100</td>
			<td>Molecular Biology Grade - Low EEO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAPI</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>D3571</td>
			<td>Microscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FM4-64</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>T3166</td>
			<td>Microscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass bottom dish</td>
			<td>MatTek</td>
			<td>P35G-1.5-14-C</td>
			<td>Microscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IPTG</td>
			<td>Fisher BioReagents</td>
			<td>BP1755-10</td>
			<td>Dioxane-free</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>GE</td>
			<td>DeltaVision Elite</td>
			<td>Customized Olympus IX-71 Inverted Microscope Stand; Custom Illumination Tower and Transmitted Light Illuminator Module. Objectives: PLAPON 60X (N.A. 1.42, WD 0.15 mm); OLY 100X OIL (N.A. 1.4, WD 0.12 mm); DIC Prism Nomarski for 100X Objective; CoolSnap HQ2 camera; SSI Assembly 7-color; Environmental control chamber - opaque.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC190723</td>
			<td>MilliporeSigma</td>
			<td>3445805MG</td>
			<td>FtsZ inhibitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SoftWorx</td>
			<td>GE</td>
			<td></td>
			<td>Manufacturer-supplied imaging software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

live-cell fluorescence microscopy to investigate subcellular protein localization and cell morphology changes in bacteria

Las investigaciones de factores que influyen en la división celular y la forma celular en las bacterias se realizan comúnmente junto con la microscopía de fluorescencia de alta resolución, ya que las observaciones realizadas a nivel de población pueden no reflejar realmente lo que ocurre a un nivel de célula única. La microscopía timelapse de células vivas permite a los investigadores monitorear los cambios en la división celular o la morfología celular que proporcionan información valiosa sobre la localización subcelular de proteínas y el momento de la expresión génica, como sucede, para ayudar potencialmente a responder preguntas biológicas importantes. Aquí, describimos nuestro protocolo para monitorear los cambios fenotípicos en Bacillus subtilis y Staphylococcus aureus usando un microscopio de desconvolución de alta resolución. El objetivo de este informe es proporcionar un protocolo simple y claro que pueda ser adoptado por otros investigadores interesados en llevar a cabo experimentos de microscopía de fluorescencia para estudiar diferentes procesos biológicos en bacterias y otros organismos.

Fenotipos GpsB Anteriormente hemos demostrado que Sa-GpsB es una proteína esencial ya que el agotamiento de GpsB utilizando un ARN antisentido da como resultado la lisis celular9. Aquí describimos cómo la aparición de varios fenotipos de división celular y cambios en la localización de proteínas podrían capturarse utilizando el protocolo de microscopía timelapse descrito en este artículo. Para ello, las cepas de S. aureus RB143 [SH1000 que albergan pEPSA5 (ve...

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Live-Cell Fluorescence Microscopy to Investigate Subcellular Protein Localization and Cell Morphology Changes in Bacteria

Este artículo proporciona una guía paso a paso para investigar la dinámica de localización subcelular de proteínas y para monitorear los cambios morfológicos usando microscopía de fluorescencia de alta resolución en Bacillus subtilis y Staphylococcus aureus.

Microscopía de Fluorescencia de Células Vivas para Investigar la Localización de Proteínas Subcelulares y Cambios de Morfología Celular en Bacterias

Investigations of factors influencing cell division and cell shape in bacteria are commonly performed in conjunction with high-resolution fluorescence ...

Este protocolo facilita la observación directa de varios cambios fenotípicos a nivel de una sola célula y permite el monitoreo continuo de la localización de proteínas y el tiempo de expresión génica. La principal ventaja de la microscopía de fluorescencia es que es un método sencillo para monitorear varios procesos biológicos, como la división celular y los cambios en la morfología celular en las células vivas. Asegúrese de prestar especial atención al protocolo de preparación de muestras y explorar el software del microscopio para poder localizar los ajustes y las opciones enumerados en este protocolo.Una representación visual de este protocolo es fundamental porque permite a los usuarios ver y aprender los pasos significativos de la técnica a medida que configuran sus propios experimentos. Comience por etiquetar una alícuota de cinco a 50 microlitros del cultivo celular de interés con un tinte de tinción de membrana apropiado y agregar cinco microlitros de las células bacterianas manchadas en un resbalón de cubierta en la parte inferior de un plato de cultivo de vidrio de 35 mililitros. Coloque una losa de agarosa de 11 milímetros de diámetro sobre la muestra y toque suavemente para asegurarse de que la losa esté plana contra el resbalón de la cubierta.A continuación, agregue aproximadamente cinco microlitros de agua alrededor del resbalón de la cubierta para evitar que la almohadilla de agarosa se seque y permita que el plato de cultivo se equilibre a la temperatura dentro de la cámara de incubación de un microscopio de desconvolución de alta resolución durante 15 a 20 minutos. Para crear una imagen de la muestra, utilice la perilla de enfoque de ajuste grueso para asegurarse de que el objetivo se reduce por completo antes de inicializar el microscopio dentro del software del microscopio. Coloque una gota de 1.517 de aceite de índice de refracción en el objetivo de inmersión en aceite de 100x y transfiera el plato de fondo de vidrio que contiene la muestra al ataúd de carcasa metálica.Deslice suavemente la placa en la abrazadera del escenario y utilice la perilla de ajuste gruesa para elevar el objetivo hasta que el aceite entre en contacto con la parte inferior de cristal del plato. Utilice el ocular y la perilla de ajuste fino para enfocar la muestra y cambie al modo de cámara. En el software de imágenes de la ventana Resolver 3D, seleccione el icono Diseñar/Ejecutar experimento.Aparecerá un nuevo cuadro de diálogo titulado Diseñar/Ejecutar experimento. Abra las fichas Diseño y Sección en el cuadro de diálogo para establecer el número de pilas Z y el grosor de la muestra. Para medir el grosor de las celdas de la muestra, ajuste incrementalmente el plano Z utilizando las flechas arriba y abajo del cuadro de diálogo Resolver 3D, haciendo que las celdas desenfocan como los límites superior e inferior de la Adquisición de imagen.Después de ajustar la transmisión porcentual de la intensidad de luz y la duración de la exposición para los canales seleccionados individuales en el cuadro de diálogo Resolver 3D, haga clic en Lista de puntos para abrir la lista de puntos. En las pestañas Diseño y Lapso de tiempo, seleccione la casilla de verificación Lapso de tiempo e introduzca los parámetros de lapso de tiempo. Seleccione la opción lista Punto de visita e introduzca los puntos que se van a crear la imagen en el cuadro de texto, separando los puntos por comas o guiones para ver las secuencias completas.A continuación, edite los nombres de archivo y las ubicaciones de los archivos en la pestaña Ejecutar y seleccione Reproducir en el cuadro de diálogo Iniciar experimento para iniciar el experimento. Al final del análisis, abra los archivos de imagen RAW de interés en un programa de desconvolución adecuado y seleccione la pestaña Proceso y Desconvolútil. Realice cualquier resta de ruido de fondo manual y ajuste de contraste de brillo en cualquiera o todos los canales de longitud de onda según sea necesario antes de guardar la imagen como un archivo TIFF.Para la cuantificación de la longitud de celda, abra los archivos de imagen desenrevesados en el software suministrado por el fabricante o en el software de imágenes libres, como ImageJ, y abra la pestaña Herramienta. A continuación, seleccione Medir distancias y haga clic con el botón izquierdo en los puntos inicial y final del archivo de imagen deseado para medir la longitud de la celda. Para la cuantificación de la señal fluorescente, seleccione Inspector de datos.Dibuje un cuadro con la opción Columna/Fila establecida en la dimensión específica de interés y seleccione el área con la señal que se va a cuantificar. La adición de xilosa para inducir una cepa GGS 8 da como resultado un fenotipo de seis células. Mientras que los controles vectoriales vacíos parecen similares a las células de control cultivadas en ausencia de inductor.La sobreproducción de estafilococo aureus gpsB interrumpe la división celular en B.subtilis medida por microscopía de lapso de tiempo y cuantificación de la longitud celular. Además, los patrones de localización de FtsZ o una de las proteínas asociadas con esta proteína se pueden utilizar un reportero para estudiar y/o identificar nuevos compuestos antimicrobianos a través de la imagen de lapso de tiempo y la cuantificación de la longitud celular. Asegúrese de utilizar un aceite con el índice de refracción adecuado, ya que el índice de refracción puede cambiar dependiendo de la temperatura utilizada para la toma de imágenes.La desconvolución se puede realizar si el usuario desea eliminar el ruido fuera de foco, y también se puede realizar un análisis de datos que implique cuantificación de señal fluorescente y mediciones de longitud y anchura de celda.

Research

JoVE Journal

Immunology and Infection

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