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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Les streptomyces sont caractérisés par un cycle de vie complexe qui a été difficile à étudier expérimentalement par des moyens de biologie cellulaire. Nous présentons ici un protocole pour effectuer une microscopie à fluorescence time-lapse du cycle de vie complet en cultivant Streptomyces venezuelae dans un dispositif microfluidique.
L’imagerie des processus biologiques par cellules vivantes au niveau de la cellule unique a joué un rôle déterminant dans notre compréhension actuelle de l’organisation subcellulaire des cellules bactériennes. Cependant, l’application de la microscopie time-lapse pour étudier les processus biologiques cellulaires sous-jacents au développement de la bactérie filamenteuse sporulante Streptomyces a été entravée par des difficultés techniques.
Nous présentons ici un protocole permettant de surmonter ces limitations en cultivant la nouvelle espèce modèle, Streptomyces venezuelae, dans un dispositif microfluidique disponible dans le commerce qui est connecté à un microscope à large champ à fluorescence inversée. Contrairement à l’espèce modèle classique, Streptomyces coelicolor, S. venezuelae sporule dans un liquide, ce qui permet l’application de chambres de croissance microfluidiques pour cultiver et surveiller au microscope le développement cellulaire et la différenciation de S. venezuelae sur de longues périodes. En plus de surveiller les changements morphologiques, la distribution spatio-temporelle des protéines cibles marquées par fluorescence peut également être visualisée par microscopie à intervalle de temps. De plus, la plateforme microfluidique offre la flexibilité expérimentale d’échanger le milieu de culture, qui est utilisé dans le protocole détaillé pour stimuler la sporulation de S. venezuelae dans la chambre microfluidique. Des images de l’ensemble du cycle de vie de S. venezuelae sont acquises à des intervalles précis et traitées dans le logiciel open source Fiji pour produire des films de la série chronologique enregistrée.
Streptomycètes sont des bactéries vivant dans le sol qui sont caractérisés par un cycle de développement complexe impliquant la différenciation morphologique à partir d' un multicellulaire, nutriment piégeant mycélium en dormance, les spores unigenomic 1-3.
Dans des conditions de croissance favorables, une spores de Streptomyces typique commence à germer par extrusion d' un ou deux tubes de germes (figure 1). Ces tubes allongés par extension de la pointe et de grandir dans un réseau hyphes ramifié connu sous le mycélium végétatif. la croissance polaire et hyphes ramification est dirigé par le divIVA de protéine essentielle. Cette protéine superhélice fait partie d'un grand complexe cytoplasmique appelé polarisome, ce qui est crucial pour l'insertion d' un nouveau matériau de l' enveloppe cellulaire à la pointe étendant 4-7. Au cours de la croissance végétative, les filaments deviennent des hyphes cloisonnées par la formation fréquente de ce qu'on appelle des parois transversales 8. La formation de ces parois transversales re exige FtsZ, la protéine du cytosquelette tubuline-like qui est essentiel pour la division cellulaire dans la plupart des bactéries 9. Dans Streptomyces, cependant, ces parois transversales végétatives ne conduisent pas à une constriction des cellules et la cellule de séparation et donc la masse mycélienne reste en tant que réseau de compartiments reliés entre eux syncytial. En réponse à la limitation des nutriments et d' autres signaux qui ne sont pas bien compris, hyphes aériens spécialisés rompre avec le mycélium végétatif et de grandir dans l'air 3. La construction de ces structures initie la phase de reproduction, du développement, au cours desquels la longue hyphes aériennes multi génomique se divise en plusieurs dizaines de taille égale compartiments présporale unigenomic. Cet événement massif de la division cellulaire est entraîné par l'étranglement synchrone de plusieurs anneaux de FtsZ à l' intérieur même des hyphes 2,10 sporogène. la différenciation morphologique est complétée par la libération de dormance, spores pigmentées à paroi épaisse.
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Les événements clés du développement du cycle de vie Streptomyces sont bien caractérisés 1,3. Cependant, ce qui est encore rare sont des études de cellules biologiques qui emploient fluorescence time-lapse microscopie pour donner un aperçu des processus qui sous-tendent la différenciation subcellulaire, comme la dynamique des protéines de localisation, mouvement des chromosomes et division cellulaire de développement contrôlé. Imagerie des cellules vivantes du développement Streptomyces a été difficile en raison de la complexité du cycle de vie et les caractéristiques physiologiques de l'organisme. Des études antérieures sur la croissance végétative et les premières étapes de la sporulation septation ont utilisé des chambres d'imagerie perméables à l' oxygène, ou la croissance d'agarose soutenu par des Streptomyces coelicolor sur une platine de microscope 15/11. Ces méthodes sont toutefois limitées par un certain nombre de facteurs. Certains systèmes permettent seulement l'imagerie à court terme d'une croissance cellulaired protéines fluorescentes avant que les cellules souffrent d'une alimentation insuffisante en oxygène ou se développent hors du plan focal en raison de la configuration tridimensionnelle du développement des hyphes. Dans les cas où l'imagerie à long terme est possible de cultiver des cellules sur des tampons d'agarose limites de flexibilité expérimentale, car les cellules ne peuvent pas être exposés à des conditions de croissance ou de contraintes de remplacement, et la fluorescence d'arrière-plan à partir du milieu dans les tampons d'agarose limite considérablement la possibilité de surveiller fluorescent faible signaux.
Nous décrivons ici un protocole d'imagerie des cellules vivantes du cycle de vie Streptomyces complets avec une excellente précision et de sensibilité. En faisant croître Streptomyces dans un dispositif microfluidique relié à un microscope à fluorescence widefield (Figure 2), nous sommes maintenant en mesure de contrôler la germination, la croissance végétative et sporulation septation sur une période de temps allant jusqu'à 30 heures. Ceci est grandement facilité par l'utilisation du nouveau modèle de l' organisme Streptomyces venezuelae parce qu'il sporule à proximité de la fin de la culture submergée et surmonte la limitation du modèle classique des espèces S. ainsi coelicolor, qui sporule uniquement sur des supports solides 16-20. Pour aider à visualiser la croissance végétative et sporulation, nous co-exprimer par fluorescence étiqueté versions de la polarité cellulaire marqueur divIVA et la clé protéine de division cellulaire FtsZ.
Nous utilisons un dispositif microfluidique disponible dans le commerce qui a été utilisé avec succès pour les mycobactéries, Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis et la levure 21-25. Le système piège les cellules dans un plan focal unique et permet le contrôle de la perfusion continue de milieu de culture à partir de différents réservoirs. Dans le protocole détaillé nous profitons de cette fonctionnalité pour exposer S. venezuelae mycélium végétatif à un rétrogradage nutritionnel de promouvoir la sporulation.
Le protocole deDÉCRITS est pour l' imagerie des cellules vivantes du cycle de vie Streptomyces ensemble, mais les conditions de médias alternatifs ou les paramètres du microscope peut être choisie si les stades de développement spécifiques sont particulièrement intéressants.

Figure 2: Schéma illustrant le flux de travail expérimental. Les trois principales étapes décrites dans le protocole sont présentés. D'abord, les spores et milieu usé sont préparés à partir d'une culture en phase stationnaire. En second lieu , les spores fraîches sont chargées dans un système microfluidique et S. venezuelae est imagée tout au long de son cycle de vie du développement au moyen d' un microscope inversé entièrement automatisé avec une chambre d'incubation pour maintenir une température optimale de croissance. Troisièmement, la série time-lapse obtenu est analysé et traité en utilisant le logiciel open-source Fidji.
1. Isolement des frais de S. venezuelae Spores et Préparation du passé Culture Medium
2. Préparation du dispositif microfluidique
Remarque: Chaque pla microfluidiquete permet jusqu'à quatre expériences indépendantes à effectuer. Pour éviter la contamination des chambres d'écoulement non utilisées, utiliser des solutions stériles et les conditions de travail lors de la mise en place d'une expérience.
3. Mise en place du microscope et le protocole Time-lapse
Remarque: Cette méthode a été appliquée sur un microscope inversé à grand champ entièrement motorisé et automatique équipé d'une caméra sCMOS, une lampe aux halogénures métalliques, une mise au point automatique du matériel, un support de scène pour des plaques à 96 puits et une chambre environnementale.
4. Génération de Time-lapse Films Utilisation Fiji Software
Note: Nous notons que différents logiciels commerciaux et libres sont disponibles pour traiter les images de microscopie time-lapse y compris ZenBlue, Metamorph, ICY, ImagePro ou ImageJ. Ici nous nous concentrons sur les Fidji, qui est un programme de traitement d'image open-source basé sur ImageJ, et qui fournit déjà un certain nombre de plugins préinstallés utiles.
L'imagerie des cellules vivantes avec succès de l'ensemble S. cycle de vie venezuelae donne une série chronologique continue comprenant les étapes clés du développement de la germination, la croissance végétative et sporulation (Figure 3, Film 1). Visualisation de la progression à travers le cycle de vie est encore renforcée par la localisation subcellulaire distincte de divIVA-mCherry et FtsZ-YPet. Pendant la germination et la croissance végétative, divIVA-mCherry accumule exclusivement au niveau des pointes ou des marques nouvellement formant des points de branchement (figure 4A) hyphes en croissance. Ces résultats sont en ligne avec le positionnement subcellulaire précédemment rapporté des divIVA 12,26. En revanche, FtsZ-YPet forme des structures en forme d'anneau unique à intervalles irréguliers dans le mycélium (figure 4B). Ces structures offrent l'échafaudage pour la synthèse des parois transversales végétales non constrictive, ce qui conduit à la formation de interconncompartiments hyphes échies 8. La différenciation cellulaire de la croissance des hyphes en hyphes sporogène devient visible par la disparition des foyers polaires divIVA-mCherry, l'arrestation de la croissance polaire et l'augmentation concomitante de FtsZ-YPet fluorescence (figure 4C). Dans sporulation hyphes, le motif de localisation de FtsZ-YPet change radicalement; premiers hélicoïdaux filaments FtsZ-YPet dégringolent le long de la hypha puis, dans un événement soudain, presque synchrone, ces hélices se fondent en une échelle de régulièrement espacés anneaux FtsZ-YPet. Dans les conditions expérimentales décrites ici, ces échelles FtsZ-YPet répartis uniformément persistent pendant environ 2 heures. Enfin, sporulation septa devenir perceptible dans le contraste d'interférence différentiel (DIC) des images (Figure 4D) et , éventuellement , de nouvelles spores sont libérées.
Le protocole ultérieur décrivant le traitement de l'image en utilisant le logiciel Fidji dispose Tep par étape explication de la façon de produire un film pour la publication de la série time-lapse acquise (film 1).

Figure 3: des images instantanées d'une fluorescence série de microscopie représentant time-lapse de S. venezuelae production marqué par fluorescence FtsZ (vert) et divIVA (Rouge) Montré sont des images sélectionnées d'images fusionnées (panneau supérieur: DP-YFP-DIC, panneau de fond: DIC). visualiser le cycle de vie Streptomyces y compris la germination, la croissance végétative et sporulation. Les images ont été prises à partir du film 1. Le temps est en h: min. Barres d'échelle = 5 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Figure 4: Les résultats représentatifs pour une série time-lapse réussie du cycle de vie Streptomyces (A) Localisation de divIVA-mCherry.. Montré sont des instantanés de deux points de temps ultérieurs de film 1 avec des images fusionnées de la DP et les canaux DIC. DivIVA-mCherry marque de nouveaux sites hyphes de branche (tête de flèche) rempli et localise à la pointe des hyphes pour diriger la croissance polaire (ouverte de la tête de flèche). Barre d'échelle = 10 pm (B) FtsZ-YPet localisation pendant la croissance végétative (tête de flèche). FtsZ-YPet forme des structures en forme d'anneau unique (panneau supérieur) qui ne compriment pas (DIC, panneau inférieur). (C) FtsZ-YPet (vert) localisation lors de la sporulation septation. foyers divIVA-mCherry sont indiquées en rouge, avec le temps écoulé illustré ci-dessous (h: min). Barre d'échelle: 5 um. (D) correspondant images DIC des hyphes de sporulation de (C) montrant la formeation des compartiments présporale avec septa sporulation visible (image de gauche), qui viennent à échéance, éventuellement, dans une chaîne de spores (image de droite). Le temps est en h: min. Barre d' échelle = 5 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Film 1: Time-lapse série de microscopie de fluorescence des Streptomyces venezuelae cycle de vie Le film est constitué d'images de la DP-YFP fusionnées ( à gauche) et les images correspondant contraste d'interférence différentiel (DIC) ( à droite).. DivIVA-mCherry est représenté en rouge et FtsZ-YPet en vert. L'intervalle de temps entre les images individuelles est de 40 min. Barre d'échelle = 10 pm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir this film.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Les streptomyces sont caractérisés par un cycle de vie complexe qui a été difficile à étudier expérimentalement par des moyens de biologie cellulaire. Nous présentons ici un protocole pour effectuer une microscopie à fluorescence time-lapse du cycle de vie complet en cultivant Streptomyces venezuelae dans un dispositif microfluidique.
Les auteurs remercient Grant Calder pour son assistance technique avec le microscope, Matt Bush pour ses commentaires sur le protocole et le Centre John Innes pour l’achat du microscope grand champ Zeiss. Ce travail a été financé par la subvention BB/I002197/1 du BBSRC (à M.J.B), par la subvention BB/J004561/1 de l’Institut BBSRC au Centre John Innes, par la subvention 621-2010-4463 du Conseil suédois de la recherche (à K.F.), et par une bourse postdoctorale Leopoldina (à S.S.).
| B04A Plaque CellAsic ONIX pour cellules bactériennes | Merck-Millipore | B04A-03-5PK | Plaques de culture microfluidique |
| CellAsic ONIX Système de perfusion microfluidique et ONIX FG (version 5.0.2) | Merck-Millipore | EV-262 | La dernière version d’ONIX (juillet 2015) et les instructions d’utilisation du programme se trouvent ici : http://www.merckmillipore.com |
| Axio Observer.Z1 Microscope | Zeiss | 431007-9902-000 | Microscope à champ inversé entièrement automatisé et motorisé |
| Incubateur XL multi S1 avec module de température S1 et unité de chauffage XL S2 | Zeiss | 411857-9061-000 | Chambre environnementale entourant le microscope |
| Plan-Apochromat 100x/1.46 Objectif DIC à huile | Zeiss | 420792-9800-000 | |
| Ocra FLASH 4 V2 | Hamamatsu Photonics K.K. | C11440-22CU | |
| Illuminateur HXP 120V | Zeiss | 423013-9010-000 | |
| FL Jeu de filtres 46 HE YFP sans décalage | Zeiss | 489046-9901-000 | Jeu de filtres fluorescents, excitation 500/25 nm, émission 535/30 nm |
| Jeu de filtres FL 63 HE RFP sans décalage | Zeiss | 489063-0000-000 | Jeu de filtres fluorescents, excitation 572/25 nm, émission 629/30 nm |
| Cadre de montage K-M pour puits multiples plaques | Zeiss | 000000-1272-644 | Support de platine pour plaque microfluidique |
| ZEN pro 2012 | Zeiss | 410135-1002-120 | Logiciel de contrôle de microscope |
| Module ZEN Time Lapse | Zeiss | 410136-1031-110 | Module logiciel pour la configuration d’expériences de microscopie time-lapse |
| Module ZEN Tuiles/Positions | Zeiss | 410136-1025-110 | Module logiciel pour l’enregistrement de positions de platine spécifiques (xzy) |
| Progiciel open-source | des Fidji | http://fiji.sc/Fiji | Génération de films en accéléré |
| Maltose-Yeast Exctract-Malt Extract (MYM) 4 g de Maltose 4 g d’extrait de levure 10 g d’extrait de malt ajouter 1 L de H2O avec 50 % d’eau du robinet et 50 % d’eau d’osmose inverse et compléter avec 200 ml de solution d’oligo-éléments R2 pour 100 ml après autoclave | Milieu de sporulation utilisé pour la culture S. venezuelae SV60 | ||
| R2 Solution d’oligo-éléments (TE) 8 mg ZnCl2 40 mg FeCl3-6H2O 2 mg CuCl2-2H2O 2 mg MnCl2-4H2O 2 mg Na2B4O7-10H2O 2 mg ( NH4)6Mo7O24-4H2O ajouter 200 ml H2O Autoclave et stocker à 4 oC | Ajouter 0,002 volumes à MYM | ||
| PBS (solution saline tamponnée au phosphate) | Sigma | P4417-100TAB | Utilisé pour remplir les puits d’entrée des voies inutilisées dans les plaques B04A afin de préparer les plaques pour le stockage à court terme. |
| 0,22 et micro ; Filtres pour seringue | Satorius stedim | 16532-K | Préparation de la souche MYM-TE |
| SV60 | John Innes Centre épuisée collection | S. venezuelae souche exprimant divIVA-mcherry et ftsZ-ypet |