Name: ODELAY:用于酵母生长多参数定量的大规模方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: 了解ODELAY方法，利用延时显微成像技术高通量定量酵母单细胞生长表型，分析遗传扰动与药物相互作用对微生物群体的影响。该方法可直接观察并量化群体异质性。

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作者感谢美国国立卫生研究院（U.S. National Institutes of Health）提供的资助，项目编号为 U54 RR022220 和 P50 GM076547，授予 J.D.A。F.D.M. 是加拿大卫生研究院（Canadian Institutes for Health Research）的博士后研究员。我们还感谢卢森堡系统生物医学中心和卢森堡大学提供的支持。

1. 琼脂糖凝胶母液的制备
<ol>
	<li>称取 2 g 高纯度琼脂糖。</li>
	<li>将琼脂糖加入一个 500 mL 的瓶中，并记录瓶与琼脂糖的总质量。</li>
	<li>计算瓶、2 g 琼脂糖和 150 g 超纯水的总目标质量，然后加入超纯水，使总质量与目标质量相差在 0.1 g 以内。</li>
	<li>记录瓶、琼脂糖和水的总质量。</li>
	<li>将瓶子放入微波炉中，并确保瓶口松松地盖上盖子，以在加热琼脂糖时尽量减少水分蒸发。</li>
	<li>用微波炉以 15–20 秒为间隔进行加热，每次加热后短暂旋摇瓶子以混合琼脂糖和水。重复此操作，直至溶液沸腾且混合物均匀。 
	注意：操作时需小心，避免瓶口逸出的蒸汽烫伤皮肤。此外，瓶子会变得很烫，必须使用适当的防护措施（如高压灭菌手套）以防止受伤。</li>
	<li>待熔融琼脂糖均匀后，再次称量瓶子质量，并添加超纯水，使总质量与初始质量相差在 0.1 g 以内，以补充因蒸发而损失的水分。</li>
	<li>在熔融琼脂糖凝固前，旋摇瓶子使所加水分充分混匀，确保体系均匀。</li>
	<li>将 15.2 g 琼脂糖分装至 9 个 50 mL 塑料管中。</li>
	<li>将分装好的管子冷藏保存，待用时取出。</li>
</ol>
2. 准备 ODELAY 琼脂糖培养基
<ol>
	<li>在加热板上，将400 mL去离子水置于带盖烧杯中，通过磁力搅拌子轻柔搅拌并加热至沸腾。</li>
	<li>从步骤1.10中取一个含15.2 g琼脂糖的50 mL锥形管，加入2 mL 10X培养基（例如，酵母提取物蛋白胨（YEP）或完全补充混合物（CSM））。 
	注意：CSM培养基容易粘附在载玻片上。若使用CSM培养基配方，请向培养基中加入5 µL无菌水中配制的50%（重量比）聚乙二醇（PEG）。PEG可防止琼脂在脱模时粘附于玻璃载片，且不影响酵母生长。</li>
	<li>根据需要添加额外的100X营养补充剂，并用水补足本步骤中添加的总体积至1 mL。</li>
	<li>在将该50 mL锥形管放入步骤2.1中的沸水之前，称量加入培养基和补充剂后的琼脂糖分装物质量。</li>
	<li>16分钟后，取出50 mL试管，用涡旋振荡器混匀混合物。保持50 mL锥形管盖紧。 
	注意：烧杯加盖有助于均匀加热整个试管，否则会形成一层固态琼脂膜而可能无法完全熔化。在此期间，可同时组装琼脂糖模具（图1）。</li>
	<li>使用涡旋振荡器再次混匀混合物。</li>
	<li>继续煮沸2分钟，以确保所有琼脂充分混合并完全熔化。</li>
	<li>称量试管重量，并用超纯无菌水补充任何损失的质量。</li>
	<li>加入2 mL 10X碳源试剂（例如，20% w/v葡萄糖），涡旋混匀，得到琼脂糖培养基溶液。 
	注意：载玻片分离。组装模具时，必须注意确保长间隔件以正确方向放入模具中。这是因为激光切割丙烯酸材料时通常呈锥形，导致部件侧面略微倾斜而非精确的90°角。当模具放置于实验台面以使玻璃从琼脂中释放时，间隔件边缘应与琼脂形成锐角。该锐角有助于在模具间隔件外边缘以下边缘为支点旋转时，将琼脂边缘从上层玻璃片处压缩分离（见 图1）。这样可实现琼脂与上层玻璃片更一致的分离。 
	注意：不应使用涂抹于玻璃表面的脱模剂，如油类、硅油喷雾或市售玻璃清洁剂，因其会污染琼脂表面并可能抑制酵母生长。这些操作方法需要一定练习才能保持一致性。</li>
	<li>用70%乙醇清洁四块尺寸为2英寸×3英寸×1毫米厚的玻璃载片，并用强制气流吹干。</li>
	<li>用70%乙醇清洁丙烯酸模具，吹干后按 图1 所示进行组装。取图中所示的三个底部部件，将两个相同部件夹住第三个部件进行组装（图1B）。在两侧使用两个小号文件夹夹固定底部组件（图1C）。将立柱插入模具中，并确保激光切割缝位置正确（图1E）。</li>
	<li>将清洁并干燥的玻璃载片放置于模具上并固定，然后将第二块玻璃载片置于另一侧。使用较大的文件夹夹固定整个组件（图1D）。用较大的文件夹夹将两块载玻片均夹紧（图1D）。确保上方的文件夹夹与玻璃载片接触，并覆盖丙烯酸部分。</li>
	<li>添加其余的文件夹夹。再次确认夹具与载玻片在重叠丙烯酸部分的位置接触（图1D）。 
	注意：在用熔融琼脂填充已组装的模具前，应确保边缘密封。沿模具内侧缓慢加入约70 µL熔融琼脂培养基，该琼脂将迅速凝固，防止泄漏。</li>
	<li>用熔融琼脂填充模具，注意避免在模具中截留气泡。 
	注意：可通过沿模具边缘缓慢移液熔融琼脂实现。填充后，让模具在约23 °C环境温度下冷却40分钟至1小时。若冷却时间过长，琼脂可能在模具中开裂。 
	注意：模具分离。正确地将模具从固化琼脂上移除，是确保酵母生长所用固体琼脂垫均匀性的关键。若此步骤中未能有效分离模具，将导致因固体琼脂垫缺陷引起的生长差异。建议对此步骤进行数次练习。</li>
	<li>首先移除底部的文件夹夹。取下由三块夹心结构组成的模具底部部分。用手压紧载玻片，然后移除文件夹夹。移除文件夹夹时务必避免碰撞模具侧面，以免造成培养基变形。</li>
	<li>将模具放置于实验台边缘，使带有蓝色圆点的一侧朝上并位于左下角（图1E）。将拇指置于丙烯酸下方，食指放在模具顶部靠近内边缘处。</li>
	<li>缓慢而小心地用拇指向上推动模具，仿佛以模具间隔件的下边缘为支点进行旋转（图1F）。施加持续但逐渐增加的压力。用户将看到在上层玻璃覆盖模具间隔件的交界处出现裂纹和气泡。</li>
	<li>观察到初始裂纹线后，继续用拇指向上推动并保持恒定压力。此时琼脂应开始从玻璃上分离（图1F）。继续向上旋转模具，这将抬起玻璃而不使其滑动。琼脂从玻璃上剥离的线应持续远离初始裂纹线。 
	注意：此时琼脂可能同时粘附在上下两层玻璃上。这种情况偶尔会出现在最左侧边缘。只要变形区域不在酵母点样区域，通常不影响使用。</li>
	<li>当玻璃完全脱离后，用手抓住并彻底将其从模具中移出。然后用类似动作移除另一模具部件，确保不移动琼脂。将载玻片放入一个无菌枪头盒中，盒底加入少量无菌高纯度水。盖上盒盖，4 °C过夜保存，供次日使用。若保存时间更长，酵母生长速率将变得不一致。</li>
</ol>
3. ODELAY 培养物制备
<ol>
	<li>将菌株接种于96孔板中，用于过夜培养。</li>
	<li>次日，取20 µL过夜培养物加入200 µL培养基中，总体积为220 µL，置于新板中。</li>
	<li>使用酶标仪测定各培养物在600 nm处的光密度（OD600）。结合酶标仪与液体处理机器人，按照步骤3.3.1–3.3.6的自动稀释程序进行操作。也可手动将板中培养物稀释至约0.1 OD600（可选）。
	<ol>
		<li>在酶标仪上，点击&#34;创建新&#34;下的&#34;实验&#34;。选择ODELAYDilution.exp并运行实验。将实验名称输入为ODELAY &#34;日期&#34; &#34;时间&#34; &#34;实验名称&#34;迭代。</li>
		<li>点击统计标签页，然后点击Excel图标。将数据保存至U盘，并传输至液体处理机器人计算机。</li>
		<li>打开机器人的布局与方法编辑器。打开方法文件&#34;ODELAYDilution_v1.med&#34;。运行可执行文件&#34;Convert_SynergyFiles.exe&#34;。输入目标OD600为0.09。</li>
		<li>点击&#34;Glu校正&#34;和&#34;Gal校正&#34;，设为0.05。使用相同类型的板测定空白培养基。点击&#34;生成文件&#34;。在方法编辑器中选择该文件。点击信号灯图标以启动方法，打开运行时稀释程序。</li>
		<li>确保试管已去盖，板已移除盖子，移液头上的防尘罩已取下。根据甲板布局，将板、试管和移液头装载到液体处理机器人的甲板上。</li>
		<li>点击&#34;播放&#34;按钮以运行稀释程序。选择正确数量的50 µL移液头。选择正确数量的300 µL移液头。等待约12分钟完成整个过程。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从机器人取出稀释板，盖好移液头，重新盖上15 mL培养基试管的盖子。将板在30 °C下继续培养5–6小时。</li>
	<li>在开始第二次稀释前约1–2小时，开启显微镜的培养室。使其平衡至实验所需温度（°C）。</li>
	<li>重复步骤3.3–3.4，但将培养物稀释至OD600为0.01–0.02，用于将培养物点样至琼脂糖载玻片上。</li>
	<li>用金属冷冻密封膜覆盖稀释板。</li>
	<li>将稀释板置于冰浴中超声处理30秒，板应漂浮在冰水中，并使用适配离心机金属桶固定板（图2A）。将超声处理后的培养物从稀释板转移至平底板中。标记4块96孔平底板为1、2、3和4（图2B）。
	<ol>
		<li>将稀释板中A01–D06孔的150 µL转移至标记为1的板的C04–F09孔。然后将稀释板中A07–D12孔的150 µL转移至标记为2的板的C04–F09孔。接着将稀释板中E01–H06孔的150 µL转移至标记为3的板的C04–F09孔。最后将稀释板中E07–H12孔的150 µL转移至标记为4的板的C04–F09孔。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进入步骤4，进行琼脂糖点样。</li>
</ol>
4. 使用自动化液体点样机器人在琼脂上点样
<ol>
	<li>从4 °C过夜保存的加湿无菌移液管盒中取出琼脂糖载玻片（来自步骤2.19）。</li>
	<li>如有需要，用洁净的剃刀刀片修剪琼脂糖培养基的边缘，以确保其能够贴合载玻片腔室。</li>
	<li>取下固定载玻片的夹子，将琼脂平板小心放入载物台腔室底座的凹槽区域。 
	注意：确保每次实验中载玻片的方向保持一致。</li>
	<li>检查夹具是否与室底部齐平。若夹具歪斜，则载玻片可能未完全嵌入凹槽区域。将调平垫片放入点样机器人中心板位置。该垫片可为调平螺钉提供接触面，从而使载玻片室与点样针尖实现水平对齐。</li>
	<li>将平板按象限顺序放置在桌面上，从左到右依次为平板1、平板2、平板3和平板4（图2B).</li>
	<li>将吸头按内侧24个孔位C04至F09的位置放入4个空的吸头盒中。第五个吸头盒需在C10位置放置一个完整的吸头，并在A01、A12、H01和H12位置各放置一个末端被剪去的吸头。这4个剪短的吸头可为吸头板夹具提供稳定性。图2C 和二维).</li>
	<li>从载玻片腔室支架上取下顶盖。</li>
	<li>将第一个打孔针置于机器人控制点样程序的起始位置。此操作将在琼脂糖上打孔，后续用于校准原点坐标。将1号培养皿放置于液体处理机器人上，以点样第一象限。确保移除皿盖，然后继续运行点样程序。</li>
	<li>检查以确保所有点样均存在，同时等待约 30 秒使其干燥。当点样直径约为 1 mm 时，可继续程序。将使用过的吸头弃入生物危害容器中，并为机器人安装新的吸头。将 1 号板更换为 2 号板nd 四区平板</li>
	<li>对第三象限重复上述操作，然后对第四象限再次重复th 象限</li>
	<li>当斑点干燥后，盖上载片室盖子并将装置翻转过来。</li>
	<li>安装带空气过滤器的管路连接。</li>
	<li>将载玻片放置在腔室的上方。 
	注意：此载玻片对于减少传递至琼脂的热通量并最大限度地减少腔室物镜侧盖玻片上冷凝物的形成至关重要。切勿遗漏此盖玻片。根据显微镜的配置，该盖玻片可防止照明侧产生的热量导致物镜侧出现冷凝。</li>
	<li>将风扇置于腔室物镜一侧，吹送热风。该风扇可防止盖玻片上产生冷凝。将鼓泡器的气流速率设置为10 mL/min。</li>
</ol>
5. 在显微镜上运行 ODELAY
<ol>
	<li>运行脚本 &#34;ODELAY_显微镜控制.m&#34;.</li>
	<li>点击 &#34;快门&#34; 打开透射光快门，然后打开 &#34;聚焦&#34; 按钮以启动高帧率相机（图3A，红色箭头。</li>
	<li>点击 &#34;Go Origin&#34; 移动载物台，找到在琼脂中打孔的原点标记。</li>
	<li>然后向右轻微移动，聚焦于E07区域中点样的酵母细胞。</li>
	<li>返回原始穿孔位置，并将其置于视野中心。</li>
	<li>将原点设置为该值，方法是按下 &#34;设置&#34; 按钮（图3A，蓝色箭头）。然后移动到位置 H18，使用距离该位置最近的六角螺钉进行调焦。接着移动到位置 L07，使用距离该位置最近的六角螺钉进行调焦。再移动到位置 E07，使用距离该位置最近的六角螺钉进行调焦。</li>
	<li>根据需要重复步骤 5.5 - 5.7，直至这些位置保持清晰对焦。</li>
	<li>在 E12、H12 和 L12 位点检查中心及边缘的聚焦情况。如果聚焦的 Z 值超出自动对焦范围（即 Z 值大于 ± 自动对焦范围），则调整自动对焦范围例如，将自动对焦范围设置为60 µm（Z值中心点大于±40 µm时）。</li>
	<li>按下复位按钮以激活按钮属性，然后按下 ODELAY（图3A，绿色箭头）。选择用于保存数据的目录，并确保有足够的磁盘空间。 
	注意：显微镜将连续采集数据48小时，或直至程序关闭。</li>
</ol>
6. 处理 ODELAY 数据
<ol>
	<li>打开 ODELAY_IPT.exe 或使用脚本 ODELAY_Image_Processing_Tool_v7.m（图 3C）。</li>
	<li>准备一个 *ODELAYExpDisc.xlsx Excel 表格文件。</li>
	<li>在单元格 B1 中命名实验。</li>
	<li>选择图像文件 E07 - H18 所在的图像目录。</li>
	<li>选择用于写入数据的数据目录。</li>
	<li>将实验开始的日期写入单元格 B04，格式为 MM/DD/YYYY。</li>
	<li>在单元格 C04 中填写稀释时间。该时间大约为采集第一张图像前 5 分钟，格式为 HH:MMpm，其中 HH 代表小时，MM 代表分钟。</li>
	<li>根据源培养板（步骤 3.1）添加菌株名称。由于菌株点样的方式，其在 ODELAY 琼脂糖载玻片上的位置会发生重排。电子表格中 B31-B126 的单元格对应源培养板，而 C31-C126 的单元格对应 ODELAY 琼脂平板上的点样位置。</li>
	<li>然后点击 &#34;处理数据&#34; 按钮，并选择刚刚准备好的 *ODELAYExpDisc.xlsx 文件。</li>
	<li>根据所用计算机系统的性能，等待 16 至 24 小时以完成数据处理。</li>
	<li>图像处理完成后，将生成一个名为 &#34;ODELAY Well Data&#34; 的目录和一个 &#34;*_Index_ODELAYData.mat&#34; 文件。点击 &#34;加载数据&#34; 按钮，并选择刚刚生成的 &#34;*_Index_ODELAYData.mat&#34; 文件，以加载刚刚处理的数据集。文件名中的 &#34;*&#34; 将根据在 Excel 表格中输入的实验名称进行命名。</li>
	<li>加载数据后，可通过底部的时间轴进行查看；点击图像方格以查看该点位的生长曲线；或在左侧列表中找到感兴趣的孔位，然后加载该孔位的图像。</li>
	<li>点击 &#34;小提琴图&#34; 按钮，生成群体生长参数的直方图。该操作将生成如 图 4 或 图 6 所示的图表。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

ODELAY 检测在确保表型测量的可重复性和可靠性方面有几个关键点。第一个关键点是酵母培养物的一致性制备。必须注意从对数生长期收获酵母细胞。如果培养物已达到饱和，则其群体异质性会增加，这可能会掩盖由遗传或环境（例如，碳源）因素引起的异质性11。第二个关键点是培养基的一致性制备。通常应配制大量10X储备培养基溶液，并在后续使用中持续使用，以尽量减少批次效应。在可能的情况下，通过质量称量来配制培养基，有助于通过精确监控琼脂密度和琼脂糖总体含水量，从而提高培养基随时间的一致性。第三个关键点涉及尽量减少或消除琼脂糖培养基的机械形变。培养基的机械形变最常发生在将琼脂糖从载玻片上分离的过程中。与许多实验技术一样，熟练掌握此步骤需要反复练习。
滞后期的变化（如图4所示）通常与以下三个因素之一有关：琼脂糖培养基的机械形变、成型琼脂厚度的不一致，或光源不稳定。如果点样阵列不同位置的琼脂糖培养基在Z轴高度上存在差异，则这种高度变化可能超出自动对焦程序的调节范围，导致初始图像轻微失焦。因此，应在点样阵列的中心及边缘多个位置检查对焦高度，以确保自动对焦程序具有足够的Z轴范围来实现准确对焦。如有需要，可使用自动对焦面板增加对焦范围，并提高对焦步数。
可能导致对焦不良的第三种情况是光源不稳定或闪烁，这会干扰特定Z轴高度下计算得到的对焦评分。钨卤素灯泡通常在烧坏之前就已开始明显闪烁。对焦不良的影响在一个实例中有所体现：生长曲线在第一和第二时间点之间出现下降（图5A），而相邻的点则未出现同样的下降趋势（图5B）。在此情况下，更换钨卤素光源后，对焦不良的问题得以解决。
在实际操作中，作者发现，为了减少100 W卤钨灯的闪烁现象，需要每500小时或大约每2个月更换一次灯泡，尤其是在显微镜使用频繁的情况下。为避免因灯泡闪烁导致的聚焦不良问题，应经常更换钨卤素光源，或用二极管光源替代卤素灯泡。在图6中展示了一个数据集示例，该数据集显示出倍增时间变异较小，且滞后期更加均一。该数据集是使用二极管照明器采集的，该照明器在进行自动对焦时能够提供更稳定的时间光照。
尽管本文提到的许多关于优化培养基制备的要点看似显而易见，但在文献中，大多数大规模筛选实验之间的可重复性往往较差8,11。因此，我们详细描述了培养物和琼脂糖培养基的制备方法，以期获得更具可重复性的表型筛选结果。
与基于点种的方法（如合成遗传阵列或Scan-O-Matic检测）相比，ODELAY检测目前在通量方面存在局限性。尽管这些方法能够增加检测菌株的数量，但它们无法分辨单个细胞，因此不能测量我们在克隆型酵母菌株中观察到的群体异质性。这种群体异质性的来源目前尚不清楚，但如本文所示，技术与计算方法的结合为客观探究其潜在的细胞机制提供了机会12。
作者希望指出，ODELAY 目前仅针对特定品牌的显微镜型号进行了优化。将 ODELAY 修改用于其他显微镜系统是可行的，但需要了解开源 API13 的相关知识。然而，无论是 API 还是 ODELAY 脚本，其设计均便于适配到不同的系统和实验检测方法中。
尽管 ODELAY 最初是为酵母研究开发的，但我们无需修改即可利用它来观察耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的生长。通过修改所提供的源代码，也可实现对其他形成菌落的微生物的观测11。总体而言，OLDEY 是一种强大且灵活的工具，可用于比较在不同环境条件和遗传扰动下生长的微生物。

微生物的生长表型是其在特定环境条件下遗传适应能力的重要指标。生长过程通常分为三种不同的生长阶段：延滞期、对数期和稳定期1。每个生长阶段均可反映依赖于不同环境和遗传条件的适应性特征。例如，延滞时间（即生物体在进入指数生长前处于延滞期的持续时间）可反映其响应环境变化的能力2。对数期生长过程中的倍增时间是衡量细胞适应性的常用指标，反映了生物体通过代谢和利用环境物质进行复制分裂的整体效率。稳定期是指对数期后生长速率迅速下降的阶段，是适应性的另一指标，常被用作基于点种法的酵母生长实验中的生长终点。
目前已有多种酵母生长检测方法，这些方法被公认为评估酵母生长表型的标准手段3,4,5。这些检测方法主要基于在固体或液体培养基中培养酵母的技术。在固体培养基上，菌落点种实验通过点种针将少量细胞转移至固体琼脂表面，随后让酵母细胞在确定的时间段内生长。之后对菌落成像，并在实验终点比较其大小6。此类菌落点种实验已被证明具有良好的稳健性和可扩展性，适用于全基因组范围的筛选。近年来，研究人员已将平板扫描仪和单反（SLR）相机的周期性成像技术整合到这些实验中，以记录菌落随时间的生长过程7,8,9。然而，这些设备的分辨率限制了其对单个细胞的检测能力，因此这类菌落点种实验无法直接观察滞后期，也无法检测形成菌落的单个细胞之间的生长差异。
基于液体的生长实验也被用于开展全基因组筛选3。将液体生长实验与延时显微技术相结合，可揭示基因完全相同的单个细胞在倍增时间上的群体异质性，从而为理解基因调控和环境适应提供了重要视角。然而，该实验无法测量生长的其他方面，例如滞后期和环境容纳量10。本文中，我们提出一种方法，用于表征在固体培养基上形成菌落的微生物的全部三个生长阶段，我们将该实验称为 ODELAY11。ODELAY 通过高通量延时显微技术，记录单个细胞在固体培养基上生长形成菌落的图像。这一单细胞形成菌落的过程揭示了潜在的群体异质性，而这种异质性是其他敏感性较低的测量方法（如终点法评分）所无法检测到的。我们以酵母为例展示了该方法的应用，但 ODELAY 可适用于任何在明场显微镜下具有足够对比度的生物体。

<table><tbody><tr><td>琼脂糖 UltraPure</td><td>ThermoFisher</td><td>16500500</td><td>凝胶温度 36°C，凝胶强度（1%）1.2 g/cm²</td></tr><tr><td>酵母提取蛋白胨（YEP）</td><td>Fisher Scientific</td><td>BP1422-2</td><td></td></tr><tr><td>完全补充混合物（CSM）</td><td>Fisher Scientific</td><td>MP114560222</td><td></td></tr><tr><td>聚乙二醇 3350（平均分子量 3000-3700）</td><td>SigmaAldrich</td><td>P2906</td><td></td></tr><tr><td>酵母菌株 BY4741</td><td>ThermoFisher</td><td>95400.BY4741</td><td></td></tr><tr><td>酵母菌株 BY4742</td><td>ThermoFisher</td><td>95400.BY4742</td><td></td></tr><tr><td>50 mL Falcon 管</td><td>Corning</td><td>430291</td><td>1 箱</td></tr><tr><td>15 mL Falcon 管</td><td>Corning</td><td>352096</td><td></td></tr><tr><td>2 × 3 英寸、1.0 mm 厚载玻片，半罗装</td><td>VWR</td><td>48382-179</td><td></td></tr><tr><td>96 孔平底板</td><td>Corning</td><td>353072</td><td></td></tr><tr><td>Hydra 液体处理机器人</td><td>Thermo</td><td>1096-DT-100</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton Microlab Star 液体处理机器人</td><td>Hamilton</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hydra 100 mL 加长型 DARTS 吸头</td><td>Thermo</td><td>5527</td><td></td></tr><tr><td>Synergy H4 酶标仪</td><td>Biotek</td><td>H4MLFAD</td><td></td></tr><tr><td>Leica DMI6000 B 显微镜</td><td>Leica</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Leica 10X/0.3NA 物镜</td><td>Leica</td><td>11506289</td><td></td></tr><tr><td>Hamamatsu ORCA Flash 4.0 相机</td><td>Hamamatsu</td><td>C11440-22CU</td><td></td></tr><tr><td>带图像处理工具箱的 MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MicroManager</td><td>Open Imaging</td><td></td><td>https://micro-manager.org/</td></tr><tr><td>ODELAY 显微镜控制（MATLAB 脚本和图形用户界面）</td><td></td><td></td><td>www.aitchisonlab.com\ODELAY 获取 MATLAB 脚本和软件</td></tr><tr><td>ODELAY 显微镜腔室</td><td></td><td></td><td>www.aitchisonlab.com\ODELAY 获取机械图纸</td></tr><tr><td>ODELAY 琼脂模具</td><td></td><td></td><td>www.aitchisonlab.com\ODELAY 获取模具图纸</td></tr></tbody></table>

odelay：一种用于酵母生长多参数定量分析的大规模方法

ODELAY: A Large-scale Method for Multi-parameter Quantification of Yeast Growth

微生物的生长表型是其潜在遗传适应性的强有力指标，可划分为三种生长阶段：延滞期、对数期和稳定期。每个生长阶段均可揭示与不同环境和遗传条件相关的适应性特征。通常，要获得这三个生长阶段的高分辨率和定量测量数据较为困难。本文介绍了一种在固体培养基上表征全部三个生长阶段的详细方法，该方法称为酵母单细胞倍增评估阵列法（One-cell Doubling Evaluation of Living Arrays of Yeast，ODDELAY）。ODDELAY利用延时显微镜技术，对在固体培养基上由单个细胞生长形成的菌落进行生长表型的量化分析。该方法能够直接观察基因完全相同的细胞在形成菌落过程中各生长参数所表现出的群体异质性。这种群体异质性为理解遗传与表观遗传调控机制以及对遗传和环境扰动的响应提供了独特的视角。尽管ODDELAY方法以酵母为例进行演示，但它可应用于任何可通过明场显微镜观察到的能够形成菌落的微生物。

时间延时显微镜下酵母生长的示例图像如图3B所示。对时间延时图像进行处理后，一个比较酵母菌株BY4741与BY4742的代表性数据集如图4所示。在此示例数据集中，培养板上不同位置的倍增时间差异极小。如果琼脂糖培养基制备不当，则在与琼脂糖凝胶变形区域相对应的点位上，倍增时间和滞后期均会出现明显偏差。尽管倍增时间看起来相对均匀，但此示例显示了滞后期测量值的差异。图6展示了一个更为一致的数据集，在该数据集中，滞后期和倍增时间均表现出均匀性。
<img alt="使用透明丙烯酸部件组装和操作微流控装置；包含示意图和演示步骤。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
图 1：琼脂模具的组装。 
（A）展示了琼脂模具的各个组件。按照（B）所示组装底座，然后用小型文件夹夹子将底座固定。将较长的竖直部件插入底座的凹槽中（C），然后如（D）所示将载玻片夹紧到模具上。侧视图显示了模具的角度以及模具切缝的方向，这对于琼脂与玻璃载玻片的一致性分离至关重要（E）。注意拇指和食指的位置，以及琼脂从载玻片上分离时形成的直线（F），并注意水平箭头。分离线应沿垂直箭头方向均匀地远离移动。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="在冰水中进行微孔板超声处理，并使用离心机桶式支架辅助支撑微孔板，用于分子分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：超声处理与点样方法。 
将微孔板置于冰水中进行超声处理，并使用离心机桶式支架辅助支撑微孔板（A）。将步骤 3.8.1 中的微孔板取出，准备在琼脂糖平板上进行点样（B）。同时准备好移液器吸头，使最左侧的吸头盒中在 C10 位置放置一个完整吸头，另外四个吸头剪去末端，以避免碰撞板架（C）。将剩余吸头分装至四个盒中，确保每个盒的内侧 24 个位置均被占据（D）。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="细胞聚集追踪、显微镜图像、MATLAB界面、延时分析、软件显示" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：ODELAY图形用户界面。 
“ODELAY_Microscopecontrol.m”的图形用户界面截图（A）。该界面可用于监控相机，并调节落射荧光和明场模式下的显微镜照明设置。红色箭头指向“Focus”和“Transmitted”按钮，分别用于快速激活相机获取图像和打开透射光快门。蓝色箭头指示用于移动载物台至原点位置，然后通过“Go Origin”按钮和“Set”按钮设定原点。绿色箭头指向“Reset”和“ODELAY!!!”按钮，分别用于将ODELAY成像模式重置为当前条件，以及启动ODELAY图像采集。酵母在固体培养基上点样后0、3、6和9小时的延时图像（B）。ODELAY图像处理工具“ODELAY_IPT.m”的图形用户界面截图（C）。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示对数2面积像素、倍增时间和滞后期分析结果的酵母生长数据图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
图4：ODELAY实验输出示例。 
该数据集比较了在YPD培养基上生长的BY4741和BY4742菌株。此图展示了一个制备良好的琼脂糖载玻片示例；然而，自动对焦设置并非最优。每列从左至右显示的数据分别为：菌落面积的Log2形式的承载能力；以分钟为单位的倍增时间；以及以分钟为单位的滞后期。在此示例中，琼脂载玻片上所有点的倍增时间整体一致，仅在某一列方向上表现出轻微延长的趋势。然而，该数据集中滞后期存在显著差异。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="对数面积（log2[Area]）与时间的关系曲线、统计数据分析；实验图谱分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：生长曲线示例。 
本示例展示了初始对焦不佳如何导致估计的滞后期（tlag）延长（A），而相邻位置则显示出较短的滞后期（B）。td 表示以分钟为单位的倍增时间，tlag 表示以分钟为单位的滞后期。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="细胞生长分析，柱状图；log2面积像素，倍增时间与滞后期（分钟）；数据可视化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55879/55879fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 6"> 
图6：成功执行的测试实验示例。 
以BY4742菌株为例，在将钨卤素灯更换为二极管照明器并正确设置自动对焦后进行测试。所有倍增时间显示良好重叠，滞后期也表现一致。<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55879/55879fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

我们介绍一种利用延时显微镜对酵母细胞在固体培养基上生长形成菌落过程中的单个细胞生长表型进行定量分析的方法，称为“单细胞倍增评估酵母活细胞阵列”（ODELAY）。该方法可直接观察并量化基因型相同的细胞在形成菌落过程中所表现出的群体异质性。

ODELAY：一种用于酵母生长多参数定量分析的大规模方法

微生物的生长表型是其潜在遗传适应性的强有力指标，可将其生长过程划分为3种生长阶段：延滞期、……

ODELAY 的总体目标是以高通量的方式测量单个细胞生长形成菌落时的生长表型。该方法有助于回答微生物学、遗传学和系统生物学中的关键问题，例如遗传扰动和药物相互作用对任何可形成菌落的微生物生长表型的影响。ODELAY 的主要优势在于，它使研究人员能够直接观察并量化大量个体之间的群体异质性。在组装琼脂模具之前，使用70%乙醇清洁亚克力模具，并用强制气流干燥。模具包含三个底部部件和两个直立部件。开始组装琼脂模具时，取三个底部部件，将两个相同的部件夹住第三个部件，形成三明治结构。使用两个小型文件夹夹住两侧的底座部件。将立柱放入模具中，确保激光切割的弧线位置正确。将一块清洁并干燥的载玻片放置在模具上，并固定其位置，同时将另一块载玻片放在另一侧。用较大的文件夹夹子固定组装件。用较大的文件夹夹子将两张载玻片夹紧，确保每个上方的夹子均与玻璃载玻片接触并覆盖亚克力板边缘。在向组装好的模具中注入熔融琼脂前，沿模具内侧边缘加入约70微升熔融琼脂培养基，以确保边缘密封。通过沿模具边缘缓慢移液熔化的琼脂来填充模具，避免内部截留气泡。模具填满后，在约23摄氏度的环境温度下冷却40–60分钟。下一步是脱模。首先取下底部的文件夹夹子，然后移除由三片夹心结构组成的模具底部。用手捏住载玻片使其保持受压状态，再小心地取下文件夹夹子。将模具放置在实验台边缘，使带有蓝色圆点的一侧朝上。将两个拇指置于亚克力板下方，食指放在模具顶部靠近模具内缘处，缓慢而小心地用拇指向上推动模具，如同以模具下边缘为支点将其翻转。施加持续但逐渐增大的压力。在顶部玻璃覆盖模具垫片的位置，应出现一条裂纹和一个气泡。观察到初始裂纹线后，继续用两个拇指向上推，并施加持续压力。琼脂应开始从玻璃上分离。继续将模具向上翻转。当玻璃完全脱离时，将其抓住并彻底从模具中取出。然后用类似的动作移除另一块模具，使该部分脱离而不移动琼脂。将载玻片放入一个底部盛有少量无菌高纯水的无菌盒中，盖上盒盖，于4摄氏度保存过夜，次日使用。按照文本方案所述，在96孔板中准备菌株，开始此实验步骤。使用酶标仪测定每种培养物在600纳米处的光密度。接下来，使用自动稀释程序将微孔板中的培养物稀释至600纳米处的光密度约为0.1。设置好稀释程序后，按照甲板布局图所示，将微孔板、离心管和吸头装载到液体处理机器人的甲板上。单击播放按钮以运行稀释程序。选择正确数量的 50 微升吸头和正确数量的 300 微升吸头。稀释完成后，将稀释板从机器人中取出，并在 30 摄氏度下培养平板，保持湿度以防止平板干燥，培养时间为五到六小时。在培养板孵育完成前约一至两小时，开启显微镜的孵育腔，使其在30摄氏度下平衡。使用相同的自动稀释程序，将培养物再次稀释至600纳米处的光密度值为0.01至0.02。用金属冷冻封膜覆盖稀释板，并将该板漂浮于冰水浴中，超声处理30秒。将四个96孔平底板分别标记为一、二、三和四。按照以下模式，将稀释板中每种超声处理后的培养物各150微升转移至平底板中：从A1至D6孔转移至一号板的C4至F9孔。将A7至D12孔加入第二板的C4至F9孔中。将E1至H6孔加入第三板的C4至F9孔中。将E7至H12孔加入第四板的C4至F9孔中。开始此操作时，将琼脂糖载玻片正确放入载玻片室中。接着，将96孔平底板按象限顺序从左到右依次放置于桌面上：第一板、第二板、第三板和第四板。将吸头放入四个空的吸头盒中，使每个吸头盒内侧的24个孔位均插入吸头。在第五个吸头盒中，于C10位置插入一个完整的吸头，并在A1、A12、H1和H12位置插入末端被剪去的吸头。这四个剪短的吸头将为吸头板夹提供稳定性。将第一个打孔针放入机器人控制点样程序的起始位，以在琼脂糖上打孔，该孔将用于后续原点坐标的对齐。将一号板放置于液体处理机器人上，用于点样第一象限。移除盖子后，继续运行点样程序。检查以确保所有点样均存在。将使用过的吸头排入生物危害容器中，并在机器人上安装新的吸头。等待约30秒，使点样干燥至直径约一毫米，然后继续运行程序。将一号板更换为二号板，继续点样程序。当四个象限均完成点样且点样点干燥后，盖上玻片室盖子，并将装置翻转。在玻片室的顶部放置一片载玻片。首先将载玻片室装入显微镜中。通过运行自定义设计的脚本进行时间序列显微成像。单击快门按钮以打开透射光快门，然后单击对焦按钮以启动高帧率相机采集。单击“Go Origin”，移动载物台以找到在琼脂中 punched 出的原点标记，然后稍向右移动，聚焦于 E7 区域 spotted 的细胞。返回原点 punch 位置，并将其居中于视野中。通过按下“Set”按钮将原点设为该位置。移动至 H18 位置，并使用靠近该位置的六角螺丝进行聚焦。然后移动到位置 L7，并使用距离该位置最近的六角螺钉进行对焦。最后移动到位置 E7，并使用距离该位置最近的六角螺钉进行对焦。检查中心区域以及 E12、H12 和 L12 位置边缘的对焦情况；如果对焦的 z 值超出自动对焦范围的正负限值，则调整自动对焦范围。按下“重置”按钮，然后按下 ODELAY。选择用于保存数据的目录。显微镜将连续采集数据 48 小时，或直至程序关闭。这些代表性延时图像显示了酵母细胞在固体培养基上点样后0小时、3小时、6小时和9小时的生长情况。图中展示了一组代表性数据集，通过分析延时图像比较了两种酵母菌株的生长表现。相对一致的倍增时间反映了琼脂糖载玻片制备良好，但滞后期存在较大差异，这是由于自动对焦设置未达到最佳状态所致。此处展示的数据集更加一致，所有倍增时间均表现出良好的重叠，且延迟时间也较为一致。一旦掌握，若操作得当，ODELAY 的设置可在三到四小时内完成。获得可重复 ODELAY 测量结果的最关键步骤是确保培养基制备的一致性，并在分离载玻片时避免对培养基造成机械形变。ODELAY 是一种非常灵敏的检测方法。例如，它能够在室温下观察到温度敏感型酵母菌株的生长缺陷，而常用的基于点种的检测方法则需要在 37 摄氏度下培养酵母才能揭示生长缺陷。尽管 ODELAY 是在酵母中开发的，但该方法适用于任何可形成菌落的生物体，包括病原体，可用于探索广泛的环境和遗传条件，以理解微生物的行为。观看本视频后，您应能充分理解如何开展 ODELAY 实验，以测量在固体培养基上形成菌落的单细胞微生物的生长表型。请务必注意，操作微生物可能存在风险，应始终采取预防措施，例如穿戴适合所研究微生物的个人防护装备。

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