本文介绍了一种原位趋化性检测方法的实验方案,这是一种新近开发的微流控装置,可实现对微生物行为在自然环境中的直接研究。
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本文介绍了一种原位趋化性检测方法的实验方案,这是一种新近开发的微流控装置,可实现对微生物行为在自然环境中的直接研究。
微生物行为,如运动性和趋化性(细胞根据化学梯度改变其运动方向的能力),在细菌和古菌域中广泛存在。在空间异质环境中,趋化性可显著提升微生物获取资源的能力。此外,趋化性在共生相互作用、疾病过程以及生物地球化学循环等全球性过程中也发挥着关键作用。然而,目前的研究技术主要局限于实验室环境,难以在野外条件下应用。本文介绍了一种原位趋化性检测(in situ chemotaxis assay, ISCA)的逐步操作方案,该装置可直接在自然环境中对微生物趋化性进行可靠检测。ISCA 是一种微流控装置,包含一个由20个孔组成的阵列,可装载感兴趣的化学物质。当装置被部署于水体环境中后,化学物质从孔中扩散,形成浓度梯度,微生物通过趋化性感知并响应这些梯度,游动进入孔内。随后可采集孔内物质,用于(1)通过流式细胞术定量分析微生物对特定化合物的趋化响应强度,(2)分离和培养具有响应性的微生物,以及(3)利用分子生物学技术鉴定响应微生物的种类及其基因组潜力。ISCA 是一种灵活的平台,适用于任何含有水相的系统,包括海洋、淡水和土壤环境。
多种微生物利用运动性和趋化性来利用斑块状的营养环境、寻找宿主或避开有害条件1,2,3这些微生物行为反过来会影响化学转化的速率4 并促进陆地、淡水和海洋生态系统中的共生关系2,5.
过去60年来,趋化性在实验室条件下得到了广泛研究6。首个用于研究趋化性的定量方法是毛细管实验,该方法将装有潜在趋化吸引物的毛细管浸入细菌悬液中6。化学物质从管中扩散形成浓度梯度,具有趋化性的细菌会响应此梯度而向管内迁移7。自毛细管实验发展以来——该方法至今仍被广泛使用——人们已开发出许多其他技术,以在日益可控的物理和化学条件下研究趋化性,其中最新的方法涉及微流控技术的应用8,9,10。
微流控技术结合高速视频显微镜,能够追踪单个细胞在精确控制的浓度梯度下的行为反应。尽管这些技术极大地加深了我们对趋化性的理解,但其应用一直局限于实验室环境,难以直接应用于自然生态系统的野外研究。因此,目前尚未对天然细菌群落在自然生态系统中利用趋化性的能力进行考察;这导致当前关于趋化性潜在生态重要性的认识主要基于人工实验室条件以及少数在实验室培养的细菌分离株。最新开发的ISCA克服了这些局限性11。
ISCA 基于毛细管实验的通用原理,但采用了现代微加工技术,提供了一个高度可重复、易于部署的实验平台,用于量化自然环境中微生物对目标化合物的趋化性。该装置还可通过直接分离或分子生物学技术,实现趋化性微生物的鉴定与表征。尽管首个可用装置为自行制备,由玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成11,但最新的注塑成型版本则采用聚碳酸酯材料,并通过高度标准化的制造工艺生产(如需了解该装置最新版本的相关信息,可联系通讯作者)。
ISCA 的大小与信用卡相同,由分布在 5×4 阵列中的 20 个孔组成,每个孔通过一个直径为 800 µm 的小孔口与外部水生环境相连(图 1)。将潜在的化学引诱剂加入孔中后,其会通过孔口扩散到环境中,趋化性微生物则会通过孔口游动进入孔内作为响应。由于多种因素可能影响 ISCA 实验在自然环境中的结果,本逐步操作方案将帮助新用户克服潜在困难,实现有效的野外部署。
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建议在开展野外实验前完成第1部分,以优化实验结果。
1. 实验室优化
注意:优化步骤中所述体积适用于单个ISCA(由20个孔组成)。
2. 野外部署的准备工作
注意:在部署之前,必须完成材料准备和流动阻尼 enclosure 的构建(第 2 节)。
3. 野外操作步骤
4. 下游应用
注意:体积基于 550 µL 样品(ISCA 的一行)给出。
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本部分介绍了利用ISCA测试海洋微生物对谷氨酰胺浓度梯度的趋化反应的实验结果,谷氨酰胺是一种已知可吸引土壤细菌的氨基酸14。在实验室测试中引发最强趋化反应的谷氨酰胺浓度被用于在海洋环境中进行趋化性检测。
为进行实验室测试,采用简单的营养添加法对采自澳大利亚悉尼沿海水域的海水微生物群落进行运动细胞富集4,具体步骤如1.4所述。将谷氨酰胺用超滤海水进行系列稀释,获得终浓度范围为10 mM至100 µM的溶液。本实验同时部署了五个ISCA重复装置,每个装置包含三种不同浓度的谷氨酰胺(每行一种浓度)以及一行过滤海水对照。部署1小时后,将每个ISCA中相同谷氨酰胺浓度的各行内容物合并,得到约550 µL的工作样品。随后用戊二醛(终浓度2%)固定该样品,并通过流式细胞术定量检测响应细菌的数量。
简而言之,细菌丰度的定量方法如下:1)使用绿色荧光DNA染料对细胞进行染色;2)采用超滤去离子水作为鞘液,通过流式细胞仪进行分析。对每个样品记录前向散射...
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在水生微生物的尺度上,环境远非均质,通常表现出物理/化学梯度,这些梯度塑造了微生物群落的结构1,15。运动性微生物利用行为(即趋化性)的能力有助于在这些异质性微环境中觅食1。直接在自然环境中研究趋化性,有助于识别重要的种间相互作用和化学偏好,从而揭示特定微生物对生物地球化学过程的贡献。本方案介绍在环境中部署ISCA11,以促进原位趋化性研究的可重复性。
使用ISCA表明,谷氨酰胺在实验室条件和野外条件下均能引发正向趋化反应。谷氨酰胺在野外的ISCA部署所产生的趋化反应低于实验室条件(图5)。此前已在实验室与野外实验之间观察到类似的模式11。这可归因于环境中可运动细胞的比例低于实验室检测中所用的富集群落或单一可运动分离株。
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作者声明无利益冲突。
本研究部分由戈登与贝蒂·摩尔基金会海洋微生物学计划资助,J.R.S. 和 R.S. 获得资助号 GBMF3801,R.S. 获得研究员奖(GBMF3783);J.B.R. 获得澳大利亚研究理事会博士后奖学金(DE160100636);B.S.L. 获得西蒙斯基金会奖项(594111);R.S. 还获得西蒙斯基金会资助(542395),作为“微生物生态系统原理”(PriME)合作项目的一部分。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙烯酸胶 | Evonik | 1133 | Acrifix 1S 0116 |
| 丙烯酸板 | McMaster-Carr | 8505K725 | 或其他公司 |
| 胶带 | Scotch | 3M 810 | Scotch Magic 胶带 |
| 高压灭菌器 | Systec | D-200 | 或其他公司 |
| 台式离心机 | Fisher Scientific | 75002451 | 或其他公司 |
| 弹力绳 | Paracord Planet | 667569184000 | 或其他公司 |
| 离心管 - 2 mL | Sigma Aldrich | BR780546-500EA | Eppendorf 管 |
| 锥形离心管 - 15 mL | Fisher Scientific | 11507411 | Falcon 管 |
| 锥形离心管 - 50 mL | Fisher Scientific | 10788561 | Falcon 管 |
| 部署臂 | Irwin | 1964719 | 或其他公司 |
| 部署舱塞 | Fisher Scientific | 21-236-4 | 参见文稿中的替代选项 |
| 一次性擦拭纸 | Kimtech - Fisher Scientific | 06-666 | Kimwipes |
| 流式细胞仪 | Beckman | C09756 | CYTOFlex |
| 戊二醛 25% | Sigma Aldrich | G5882 | 或其他公司 |
| 绿色荧光染料 | Sigma Aldrich | S9430 | SYBR Green I - 最终稀释比例 1:10,000 |
| 亲水性 GP 滤膜筒 - 0.2 µm | Merck | C3235 | Sterivex 滤器 |
| 原位趋化性分析(ISCA) | - | - | 请联系通讯作者 |
| 激光切割机 | Epilog Laser | Fusion pro 32 | 或其他公司 |
| LB 培养基(Luria Bertani Broth) | Sigma Aldrich | L3022 | 或其他公司 |
| 2216 海洋培养基 | VWR | 90004-006 | Difco |
| 尼龙槽头平头螺钉 | McMaster-Carr | 92929A243 | M 2 × 4 × 8 mm |
| 移液器套装 | Fisher Scientific | 05-403-151 | 或其他公司 |
| 移液器吸头 - 1 mL | Fisher Scientific | 21-236-2A | 或其他公司 |
| 移液器吸头 - 20 µL | Fisher Scientific | 21-236-4 | 或其他公司 |
| 移液器吸头 - 200 µL | Fisher Scientific | 21-236-1 | 或其他公司 |
| 海水盐 | Sigma Aldrich | S9883 | 用于配制人工海水 |
| 血清移液管 - 50 mL | Sigma Aldrich | SIAL1490-100EA | 或其他公司 |
| 注射器滤器 - 0.02 µm | Whatman | WHA68091002 | Anatop 滤器 |
| 注射器滤器 - 0.2 µm | Fisher Scientific | 10695211 | 或其他公司 |
| 27G 注射器针头 | Henke Sass Wolf | 4710004020 | 0.4 × 12 mm |
| 注射器 - 1 mL | Codau | 329650 | 胰岛素 Luer U-100 |
| 注射器 - 10 mL | BD | 303134 | 或其他公司 |
| 注射器 - 50 mL | BD | 15899152 | 或其他公司 |
| 试管架 - 15 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | 或其他公司 |
| 试管架 - 50 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | 或其他公司 |
| 未涂层高速钢通用丝锥 | McMaster-Carr | 8305A77 | 或其他公司 |
| 真空滤器 - 0.2 µm | Merck | SCGPS05RE | Steritop 滤器 |
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