Name: live-cell imaging of the life cycle of bacterial predator bdellovibrio bacteriovorus using time-lapse fluorescence microscopy
Uploaded: 2020-05-08T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Live-Cell Imaging of the Life Cycle of Bacterial Predator Bdellovibrio bacteriovorus using Time-Lapse Fluorescence Microscopy at JoVE.com

Este estudo foi apoiado pelo Centro Nacional de Ciências grant Opus 2018/29/B/NZ6/00539 a J.Z.C.

1. Preparação de B. bacteriovorus lysate para análise microscópica
<ol><li>Em um frasco de 250 mL, configure a cocultura combinando 1 mL de cultura bacteriovorus fresca de 24 h B. (por exemplo, HD100 DnaN-mNeonGreen/PilZ-mCherry) e 3 mL de cultura de presas durante a noite (por exemplo, E. coli S17-1 pZMR100) com 50 mL de tampão Ca-HEPES (25 mM HEPES, 2 mM CaCl2 [pH = 7,6]) complementado com antibióticos quando necessário (aqui, 50 μg/mL kanamycin).</li>
	<li>Incubar a cocu...

<ol>
	<li>Shatzkes, K., 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=Predatory+Bacteria+Attenuate+Klebsiella+pneumoniae+Burden+in+Rat+Lungs.">Predatory Bacteria Attenuate Klebsiella pneumoniae Burden in Rat Lungs.</a> mBio. 7 (6), (2016).</li><li>Iebba, V., 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=Bdellovibrio+bacteriovorus+directly+attacks+Pseudomonas+aeruginosa+and+Staphylococcus+aureus+Cystic+fibrosis+isolates.">Bdellovibrio bacteriovorus directly attacks Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus Cystic fibrosis isolates.</a> Frontiers in Microbiology. 5, (2014).</li><li>Willis, A. R., 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=Injections+of+Predatory+Bacteria+Work+Alongside+Host+Immune+Cells+to+Treat+Shigella+Infection+in+Zebrafish+Larvae.">Injections of Predatory Bacteria Work Alongside Host Immune Cells to Treat Shigella Infection in Zebrafish Larvae.</a> Current biology: CB. 26 (24), 3343-3351 (2016).</li><li>Lambert, C., 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=Characterizing+the+flagellar+filament+and+the+role+of+motility+in+bacterial+prey-penetration+by+Bdellovibrio+bacteriovorus.">Characterizing the flagellar filament and the role of motility in bacterial prey-penetration by Bdellovibrio bacteriovorus.</a> Molecular Microbiology. 60 (2), 274-286 (2006).</li><li>Lambert, C., 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=A+Predatory+Patchwork:+Membrane+and+Surface+Structures+of+Bdellovibrio+bacteriovorus.">A Predatory Patchwork: Membrane and Surface Structures of Bdellovibrio bacteriovorus.</a> Advances in Microbial Physiology. 54, 313-361 (2008).</li><li>Makowski, &. #. 3. 2. 1. ;., 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=Initiation+of+Chromosomal+Replication+in+Predatory+Bacterium+Bdellovibrio+bacteriovorus.">Initiation of Chromosomal Replication in Predatory Bacterium Bdellovibrio bacteriovorus.</a> Frontiers in Microbiology. 7, 1898 (2016).</li><li>Makowski, &. #. 3. 2. 1. ;., 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=Dynamics+of+Chromosome+Replication+and+Its+Relationship+to+Predatory+Attack+Lifestyles+in+Bdellovibrio+bacteriovorus.">Dynamics of Chromosome Replication and Its Relationship to Predatory Attack Lifestyles in Bdellovibrio bacteriovorus.</a> Applied and Environmental Microbiology. 85 (14), (2019).</li><li>Fenton, A. K., Kanna, M., Woods, R. D., Aizawa, S. I., Sockett, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shadowing+the+actions+of+a+predator:+backlit+fluorescent+microscopy+reveals+synchronous+nonbinary+septation+of+predatory+Bdellovibrio+inside+prey+and+exit+through+discrete+bdelloplast+pores.">Shadowing the actions of a predator: backlit fluorescent microscopy reveals synchronous nonbinary septation of predatory Bdellovibrio inside prey and exit through discrete bdelloplast pores.</a> Journal of Bacteriology. 192 (24), 6329-6335 (2010).</li><li>Kuru, E., 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=Fluorescent+D-amino-acids+reveal+bi-cellular+cell+wall+modifications+important+for+Bdellovibrio+bacteriovorus+predation.">Fluorescent D-amino-acids reveal bi-cellular cell wall modifications important for Bdellovibrio bacteriovorus predation.</a> Nature Microbiology. 2 (12), 1648-1657 (2017).</li><li>Dashiff, A., Junka, R. A., Libera, M., Kadouri, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predation+of+human+pathogens+by+the+predatory+bacteria+Micavibrio+aeruginosavorus+and+Bdellovibrio+bacteriovorus.">Predation of human pathogens by the predatory bacteria Micavibrio aeruginosavorus and Bdellovibrio bacteriovorus.</a> Journal of Applied Microbiology. 110 (2), 431-444 (2011).</li></ol>

Devido ao crescente interesse em usar b. bacteriovorus como antibiótico vivo, novas ferramentas para observar o ciclo de vida predatório, particularmente interações predador-patógeno, são necessárias. O protocolo apresentado é usado para acompanhar todo o ciclo de vida B. bacteriovorus, especialmente durante seu crescimento dentro do hospedeiro, em tempo real. Além disso, a aplicação de uma cepa produzindo grampo beta fluorescente de holoenzima de DNA polimerase III permitiu o monitoramento d...

Bdellovibrio bacteriovorus é uma pequena (0,3-0,5 μm por 0,5-1,4 μm) gram-negativo bactéria que caça outras bactérias gram-negativas, incluindo patógenos nocivos como Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e Shigella flexneri1,2,3. Uma vez que b. bacteriovorus mata patógenos, é considerado um antibiótico vivo potencial que pode ser aplicado para combater infecções bacterianas, particularmente aquelas causadas por cepas multidroga resistentes.
B. bacteriovorus exibe um ciclo de vida peculiar composto por duas fases: uma fase de ataque não replicativo de vida livre e uma fase reprodutiva intracelular(Figura 1). Na fase de vida livre, esta bactéria altamente motile, que se move a velocidades de até 160 μm/s, procura por sua presa. Depois de anexar à membrana externa da presa, ela entra no periplasma4,5. Durante a fase reprodutiva interperiplasmática, B. bacteriovorus usa uma infinidade de enzimas hidrolíticas para degradar as macromoléculas do hospedeiro e reutilizá-las para seu próprio crescimento. Logo após invadir o periplasma, a célula hospedeira morre e incha em uma estrutura esférica chamada bdelloplast, dentro da qual a célula predatória alonga e replica seus cromossomos. O processo de replicação começa na origem de replicação (oriC)6 e prossegue até que várias cópias do cromossomo tenham sido completamente sintetizadas7. Curiosamente, a replicação de cada cromossomo não é seguida pela divisão celular. Em vez disso, o predador se alonga para formar uma célula longa, multinucleóide e filamentosa. Após o esgotamento dos nutrientes, o filamento sofre septação síncrola e as células progêneras são liberadas do bdelloplast8.
Antes que b. bacteriovorus possa ser usado como um antibiótico vivo contra infecções bacterianas, é crucial entender os principais estágios de seu ciclo de vida, particularmente aqueles relacionados à sua proliferação dentro da presa. A imagem de células vivas de B. bacteriovorus tem sido desafiadora, devido às várias formas morfológicas do predador e sua presa durante o complexo ciclo de vida. Até agora, as interações entre B. bacteriovorus e sua célula hospedeira têm sido estudadas principalmente por microscopia eletrônica e análise de snap-shot2,,9,,10, ambas com limitações, especialmente quando são usadas para monitorar estágios sucessivos do ciclo de vida predatório. Esses métodos fornecem imagens de alta resolução de células B. bacteriovorus e permitem a observação de um pequeno predador durante a fase de ataque ou crescimento. No entanto, eles não permitem o rastreamento de células b. bacteriovorus únicas ao longo de ambas as fases do ciclo de vida.
Apresentado aqui é um protocolo abrangente para o uso de microscopia de fluorescência de lapso de tempo (TLFM) para monitorar o ciclo de vida completo de B. bacteriovorus. Um sistema composto por uma almofada de agarose é usado em combinação com um prato de imagem celular, no qual as células predatórias podem se mover livremente sob a almofada de agarose enquanto as células de presas imobilizadas são capazes de formar bdelloplastos(Figura 2). Esta configuração é preparada com base em cepas específicas de E. coli e B. bacteriovorus,mas o protocolo pode ser facilmente alterado para se adequar às cepas individuais de um usuário (por exemplo, carregando diferentes marcadores de seleção, proteínas fundidas com fluoroforos diferentes, etc.).
Neste caso, para visualizar B. bacteriovorus durante a fase de ataque, foi construída uma cepa específica (HD100 DnaN-mNeonGreen/PilZ-mCherry) que expressa uma versão fluorescente marcada da proteína citoplasmática, PilZ (disponível em nosso laboratório mediante solicitação)7. Esta cepa também produz DNAN (o grampo β-deslizante), uma subunidade de holoenzima de dna polimerase III, fundida com uma proteína fluorescente. Isso permite que a replicação contínua do DNA seja monitorada dentro das células predatórias à medida que crescem dentro de bdelloplastos.
Embora o protocolo descrito e o software utilizado para aquisição de imagens se refira a um microscópio invertido fornecido por um fabricante específico (ver Tabela de Materiais), esta técnica pode ser ajustada para qualquer microscópio invertido equipado com uma câmara ambiental ou outro suporte de aquecimento externo e capaz de imagens de lapso de tempo. Para análise de dados, os usuários podem escolher qualquer software disponível compatível com os formatos de saída individuais.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61105/61105fig01.jpg"> Figura 1: B. bacteriovorus ciclo de vida em E. coli como uma célula hospedeira. Durante a fase de ataque, uma célula B. bacteriovorus de natação livre procura e se conecta a uma célula E. coli hospedeira. Após a invasão, a célula predatória fica localizada no periplasma da presa, mudando a forma da célula hospedeira e formando um bdelloplasto. A fase reprodutiva começa com a formação de bdelloplast. A célula predatória digere a célula da presa e reutiliza compostos simples para construir suas próprias estruturas. B. bacteriovorus cresce como um longo filamento único dentro do periplasma do hospedeiro. Quando os recursos da célula presa estão esgotados, o filamento B. bacteriovorus sincronicamente septate e forma células descendentes. Depois que as células progêneras desenvolvem sua flagela, elas lise o bdelloplasto. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61105/61105fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>MPW MED. INSTRUMENTS</td>
			<td>MPW-260R</td>
			<td>Rotor ref. 12183</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CertifiedMolecular Biology Agarose</td>
			<td>BIO-RAD</td>
			<td>161-3100</td>
			<td>low fluorescence agarose for agarose pad</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiji</td>
			<td>ImageJ</td>
			<td>https://imagej.net/Fiji</td>
			<td>Open source image processing package</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Bottom Dish 35 mm</td>
			<td>ibidi</td>
			<td>81218-200</td>
			<td>uncoated glass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>GE</td>
			<td>DeltaVision Elite</td>
			<td>Microtiter Stage, ultimate focus laser module, DV Elite CoolSnap HQ2 Camera, SSI assembly FP DV, kit obj. Oly 100x oil 1.4 NA, prism Nomarski 100x LWD DIC, ENV ctrl IX71 uTiter opaQ 240 V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Minisart Filter 0.45 &#181;m</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>16555----------K</td>
			<td>Cellulose Acetate, Sterile, Luer Lock Outlet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Start SoftWoRx</td>
			<td>GE</td>
			<td></td>
			<td>Manufacturer-supplied imaging software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

live-cell imaging of the life cycle of bacterial predator bdellovibrio bacteriovorus using time-lapse fluorescence microscopy

Bdellovibrio bacteriovorus é uma pequena bactéria predatória obrigatória que mata outras bactérias gram-negativas, incluindo patógenos nocivos. Portanto, é considerado um antibiótico vivo. Para aplicar B. bacteriovorus como um antibiótico vivo, é primeiro necessário entender os principais estágios de seu complexo ciclo de vida, particularmente sua proliferação dentro da presa. Até agora, tem sido desafiador monitorar sucessivas etapas do ciclo de vida predatório em tempo real. Apresentado aqui é um protocolo abrangente para imagens em tempo real do ciclo de vida completo de B. bacteriovorus, especialmentedurante seu crescimento dentro do hospedeiro. Para isso, um sistema composto por uma almofada de agarose é usado em combinação com pratos de imagem celular, no qual as células predatórias podem se mover livremente sob a almofada de agarose enquanto as células de presas imobilizadas são capazes de formar bdelloplastos. A aplicação de uma cepa que produz uma β-subunidade fluorescente de DNA polimerase III permite ainda que a replicação do cromossomo seja monitorada durante a fase de reprodução do ciclo de vida B. bacteriovorus.

O sistema baseado em TLFM descrito permite que células individuais de B. bacteriovorus sejam rastreadas a tempo (Figura 3, Filme 1) e fornece informações valiosas sobre cada estágio do complexo ciclo de vida predatório. A fusão PilZ-mCherry permite que toda a célula predatória seja rotulada na fase de ataque, bem como no estágio inicial da fase de crescimento(Figura 3). A transição do ataque para a fase replicativa foi visual...

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Live-Cell Imaging of the Life Cycle of Bacterial Predator Bdellovibrio bacteriovorus using Time-Lapse Fluorescence Microscopy

Apresentado aqui é um protocolo que descreve o monitoramento do ciclo de vida completo da bactéria predatória Bdellovibrio bacteriovorus usando microscopia de fluorescência de lapso de tempo em combinação com uma almofada de agarose e pratos de imagem celular.

Imagem de células vivas do ciclo de vida do predador bacteriano Bdellovibrio bacteriovorus usando microscopia de fluorescência de lapso de tempo

Bdellovibrio bacteriovorus is a small gram-negative, obligate predatory bacterium that kills other gram-negative bacteria, including harmful pathogens. ...

A imagem de Bdellovibrio bacteriovorus de células vivas tem sido desafiadora devido ao complexo ciclo de vida dessas bactérias predatórias. Nosso protocolo permite o monitoramento das etapas do ciclo de vida completo em tempo real. Embora nosso protocolo seja baseado em cepas específicas de equalização, ele pode ser facilmente adaptado a uma variedade de cepas bacterianas, incluindo cepas patogênicas.Para criar uma cultura B.bacteriovorus, combine um mililitro de bactérias cultivadas frescas 24 horas com três mililitros de cultura de presas durante a noite em um frasco de 250 mililitros contendo 50 mililitros de hippies de cálcio protegidos com antibióticos conforme necessário. Após uma incubação de 24 horas a 30 graus Celsius e 200 revoluções por minuto, verifique se as células presas foram totalmente lised por microscopia de contraste facial montada líquida. Numerosas células B.bacteriovorus em fases multi-ataque devem estar presentes e nenhuma célula E.coli ou bdelloplast deve ser visível.Coe a cultura B.bacteriovorus através de um filtro de tamanho de poros de 0,45 micrômetros em um tubo cônico de 50 mililitros e suspenda o filtrado em uma centrífuga. Em seguida, suspenda novamente a pelota B.bacteriovorus em três mililitros de tampão hippies de cálcio para uma densidade óptica final a 600 nanômetros de aproximadamente 0,2 e incubar as bactérias a 30 graus celsius e 200 revoluções por minuto durante 30 minutos. Para preparar as células hospedeiras, selecione uma única colônia da cepa hospedeira de interesse e para acenar com as bactérias em 10 mililitros de YT médio suplementados com antibióticos, conforme necessário para uma incubação noturna a 37 graus Celsius e 180 revoluções por minuto.Na manhã seguinte, transfira dois mililitros da cultura da noite para um tubo de ensaio de dois mililitros e pelota as células por centrifugação. Em seguida, suspender novamente a pelota em 200 microliters de tampão hippies de cálcio. É muito importante suspender totalmente toda a pelota celular após a centrifugação para garantir que a célula presa esteja separada ao nível de célula única.Para preparar as células para microscopia de fluorescência de lapso de tempo, primeiro, misture 200 miligramas de baixa agarose de grau molecular fluorescente com 20 mililitros de tampão hippies de cálcio e dissolva a agarose em um micro-ondas. Despeje três mililitros da agarose derretida em um prato de fundo de vidro de 35 milímetros e deixe a agarose solidificar. Usando uma micro espátula de laboratório, remova cuidadosamente a almofada de agarose da placa sem perturbar o polo central da almofada e coloque o lado inferior da almofada para cima em uma tampa de placa de Petri.Coloque cinco microliters da suspensão concentrada da célula hospedeira sobre a almofada virada e use um laço de inoculação para espalhar células no polo central. Em seguida, adicione cinco microliters da suspensão concentrada de B.bacteriovorus na superfície revestida de célula hospedeira sem se espalhar e retorne rapidamente o gel para o lado superior do prato de vidro de 35 mililitros para baixo. Em seguida, cubra o prato com uma tampa.Para a microscopia de Floresnce time-lapse da co-cultura, coloque a placa em um suporte de placa de Petri de tal forma que a placa não se mova ao longo do experimento e coloque uma gota de óleo de imersão no objetivo do microscópio invertido e uma gota na parte inferior do prato. Monte o suporte no estágio do microscópio dentro da câmara de microscópio invertido e no software do microscópio defina a ampliação para 100X e a lente policromada para GFP e Mcherry. Usando um iPS em Brightfield, localize o plano focal e abra o gerente inútil.Mova o palco e use o botão de pontos de marca para armazenar as coordenadas de pelo menos 10 posições de interesse. Troque a câmera val do iPS para o monitor. Defina o plano focal e clique no botão de ponto de substituição no inútil para o gerente calibrar cada ponto.Abra o designer de experimentos e a caixa de empilhamento de doenças sem identificação. Selecione os canais fluorescentes apropriados e as configurações de eliminação ideais e defina os intervalos entre a aquisição da imagem e o tempo total do experimento. Habilite a manutenção do foco para as posições escolhidas e selecione a pasta de dados na qual os arquivos de imagem devem ser salvos automaticamente.Verifique novamente todas as configurações do controle de software de microscópio e inicie o experimento de lapso de tempo. Após a primeira hora do experimento, verifique se todas as posições do palco ainda estão em foco. Quando o experimento de lapso de tempo estiver concluído, remova a placa de Petri e descarte a placa de 35 milímetros com uma almofada de agarose de acordo com os protocolos de biosegurança apropriados.Para o processamento dos dados de imagem de lapso de tempo, transfira os dados experimentais para um computador carregado com o software Fiji e abra uma imagem em Fiji. Em opções de importação de bioformiamentos, selecione pilha de visualização com hyperstack. No modo de cor composta, selecione escala automática.Ao percorrer as pilhas de imagens, avalie se as células e os bdelloplastos permaneceram focados ao longo do experimento. Se as manchas verdes fluorescentes do DNA e do verde mNeon estão presentes dentro das células B.bacteriovorus dentro dos bdelloplastos durante toda a fase de crescimento e se todas as etapas do ciclo de vida predatório podem ser visualizadas. Para analisar um bdelloplast celular B.bacteriovorus em particular, use uma ferramenta de seleção para marcar a célula de interesse.Em seguida, duplique a região escolhida. Na imagem duplicada, clique em processo e suave e para cada canal fluorescente, clique em imagem, cor, ferramentas de canais e selecione o canal de interesse. Em seguida, clique em imagem, ajuste e contraste de brilho para ajustar o brilho e o contraste da imagem em cada canal.Para adicionar uma barra de escala, selecione analisar, ferramentas e barra de escala. Para adicionar um carimbo de tempo às imagens, clique em imagens, pilhas e carimbo de hora. Para salvar as imagens modificadas, selecione TIF.Para salvar os dados como uma sequência de imagem, a AVI para produzir um filme ou PNG para salvar uma única imagem do quadro atual. Este sistema baseado em microscopia de fluorescência time-lapse permite o rastreamento em tempo real de células B.bacteriovorus individuais e fornece informações valiosas sobre cada estágio do complexo ciclo de vida predatório. A fusão de pillsy mCherry permite que toda a célula predatória seja rotulada na fase de ataque, bem como no estágio inicial da fase de crescimento.A transição do ataque para a fase replicativa pode ser visualizada não apenas pela formação de bdelloplast hospedeiro, mas também pelo aparecimento do relisome. O replisome é montado no polo celular invasor e mais de um replisome pode ser observado dentro de um crescente filamento B.bacteriovorus à medida que a fase de reprodução progride. Depois que várias cópias do cromossomo são sintetizadas, a replicação é encerrada.Finalmente, o filamento multinucleado sofre septação e as células progêneras são liberadas do bdelloplasto. As células B.bacteriovorus devem ser materiais o suficiente para procurar ativamente por suas presas e toda a densidade celular deve ser alta o suficiente para permitir o apego celular predatório. Esta plataforma pode ser útil em experimentos envolvendo patógenos resistentes a múltiplos medicamentos e para facilitar melhorias na engenharia genética do B.bacteriovorus como antibiótico vivo na medicina humana e veterinária.

Research

JoVE Journal

Biology

Live-Cell Imaging of the Life Cycle of Bacterial Predator Bdellovibrio bacteriovorus using Time-Lapse Fluorescence Microscopy

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