Présenté ici est le protocole pour un test de chimiotaxis in situ, un dispositif microfluidique récemment développé qui permet des études du comportement microbien directement dans l’environnement.
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Article de méthode
Présenté ici est le protocole pour un test de chimiotaxis in situ, un dispositif microfluidique récemment développé qui permet des études du comportement microbien directement dans l’environnement.
Les comportements microbiens, tels que la motilité et la chimiotaxis (la capacité d’une cellule à modifier son mouvement en réponse à un gradient chimique), sont répandus dans les domaines bactérien et archéal. Les chimiotaxis peuvent se traduire par d’importants avantages d’acquisition de ressources dans des environnements hétérogènes. Il joue également un rôle crucial dans les interactions symbiotiques, les maladies et les processus mondiaux, tels que le cyclisme biogéochimique. Cependant, les techniques actuelles limitent la recherche de chimiotaxis au laboratoire et ne sont pas facilement applicables sur le terrain. Présenté ici est un protocole étape par étape pour le déploiement de l’essai in situ chemotaxis (ISCA), un dispositif qui permet un interrogatoire robuste de chimiotaxis microbienne directement dans l’environnement naturel. L’ISCA est un dispositif microfluidique composé d’un réseau de 20 puits, dans lequel les produits chimiques d’intérêt peuvent être chargés. Une fois déployés dans des environnements aqueux, les produits chimiques se diffusent hors des puits, créant des gradients de concentration auxquels les microbes sentent et réagissent en nageant dans les puits par le biais de chimiotaxis. Le contenu du puits peut ensuite être échantillonné et utilisé pour (1) quantifier la force des réponses chimiotaxiques à des composés spécifiques par cytométrie de flux, (2) isoler et la culture des micro-organismes sensibles, et (3) caractériser l’identité et le potentiel génomique des populations répondantes par des techniques moléculaires. L’ISCA est une plate-forme flexible qui peut être déployée dans n’importe quel système avec une phase aqueuse, y compris les milieux marins, d’eau douce et de sol.
Divers micro-organismes utilisent la motilité et la chimiotaxis pour exploiter des environnements nutritifs irréguliers, trouver des hôtes, ou éviter les conditions délétères1,2,3. Ces comportements microbiens peuvent à leur tour influencer les taux de transformation chimique4 et favoriser des partenariats symbiotiques entre les écosystèmes terrestres, d’eau douce et marins2,5.
Chemotaxis a été largement étudié dans des conditions de laboratoire pour les 60 dernières années6. La première méthode quantitative pour étudier la chimiotaxis, l’essai capillaire, implique un tube capillaire rempli d’un chimioattractant putatif immergé dans une suspension de bactéries6. La diffusion du produit chimique hors du tube crée un gradient chimique, et les bactéries chimiotaxiques réagissent à ce gradient en migrant dans le tube7. Depuis le développement de l’essai capillaire, encore largement utilisé aujourd’hui, de nombreuses autres techniques ont été développées pour étudier la chimiotaxis dans des conditions physiques/chimiques de plus en plus contrôlées, la plus récente impliquant l’utilisation de microfluidiques8,9,10.
La microfluidique, associée à la microscopie vidéo à haute vitesse, permet de suivre le comportement des cellules individuelles en réponse à des gradients soigneusement contrôlés. Bien que ces techniques aient grandement amélioré notre compréhension de la chimiotaxis, elles ont été limitées à l’utilisation en laboratoire et ne se traduisent pas facilement par le déploiement sur le terrain dans les systèmes environnementaux. Par conséquent, la capacité des communautés naturelles de bactéries à utiliser des chimiotaxis dans les écosystèmes naturels n’a pas été examinée; ainsi, la compréhension actuelle de l’importance écologique potentielle de la chimiotaxis est biaisée vers des conditions artificielles de laboratoire et un nombre limité d’isolats bactériens de culture en laboratoire. L’ISCA récemment développé surmonte ces limitations11.
L’ISCA s’appuie sur le principe général de l’essai capillaire; cependant, il utilise des techniques modernes de microfabrication pour fournir une plate-forme expérimentale hautement répliquée et facilement déployable pour la quantification de la chimiotaxis vers des composés d’intérêt pour l’environnement naturel. Il permet également l’identification et la caractérisation des micro-organismes chimiotaxiques par l’isolement direct ou les techniques moléculaires. Alors que le premier dispositif de travail a été auto-fabriqué et construit en verre et PDMS11, la dernière version moulée par injection est composée de polycarbonate, en utilisant une procédure de fabrication très standardisée (pour l’intérêt pour la dernière version de l’appareil, les auteurs correspondants peuvent être contactés).
L’ISCA est de la taille d’une carte de crédit et se compose de 20 puits répartis dans un réseau de puits de 5 x 4, chacun relié à l’environnement aquatique externe par un petit port (800 μm de diamètre; Figure 1). Les chimioattractants putatifs chargés dans les puits se diffusent dans l’environnement via le port, et les microbes chimiotaxiques réagissent en nageant à travers le port dans le puits. Comme de nombreux facteurs peuvent influer sur le résultat d’une expérience isca dans l’environnement naturel, ce protocole étape par étape aidera les nouveaux utilisateurs à surmonter les obstacles potentiels et à faciliter des déploiements efficaces.
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Nous recommandons d’exécuter la section 1 avant les expériences sur le terrain afin d’optimiser les résultats.
1. Optimisation de laboratoire
REMARQUE : Les volumes décrits dans la procédure d’optimisation sont suffisants pour un seul ISCA (composé de 20 puits).
2. Préparation au déploiement sur le terrain
REMARQUE : La préparation du matériau et la construction de l’enceinte d’amortissement des débits (section 2) doivent être effectuées avant le déploiement.
3. Procédure sur le terrain
4. Applications en aval
REMARQUE : Les volumes sont donnés sur la base d’un échantillon de 550 μL (une rangée d’une ISCA).
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Cette section présente les résultats de laboratoire utilisant l’ISCA pour tester la réponse chimiotaxique des microbes marins à une gamme de concentration de glutamine, un acide aminé connu pour attirer les bactéries du sol14. La concentration de glutamine qui a suscité la réponse chimiotactique la plus forte dans les essais de laboratoire a été employée pour effectuer un essai de chemotaxis dans l’environnement marin.
Pour effectuer les tests de laboratoire, les commun...
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À l’échelle des micro-organismes aquatiques, l’environnement est loin d’être homogène et se caractérise souvent par des gradients physiques/chimiques qui structurent les communautés microbiennes1,15. La capacité des micro-organismes motiles à utiliser le comportement (c.-à-d. la chimiotaxis) facilite la recherche de nourriture dans ces microenvironnements hétérogènes1. L’étude de la chimiotaxis directement dans l’environnement a le potenti...
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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Cette recherche a été financée en partie par la Gordon and Betty Moore Foundation Marine Microbiology Initiative, par le biais de la subvention GBMF3801 à J.R.S. et R.S., et un prix d’enquêteur (GBMF3783) à R.S., ainsi qu’une bourse du Conseil australien de recherche (DE160100636) à J.B.R., un prix de la Fondation Simons à B.S.L. (594111), et une subvention de la Fondation Simons (542395) à R.S. dans le cadre des Principes microbiens des écosystèmes microbiens (PriME) Collaborative.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Colle acrylique | Evonik | 1133 | Acrifix 1S 0116 |
| Feuille acrylique | McMaster-Carr | 8505K725 | Ou autre entreprise |
| Ruban adhésif | Scotch | 3M 810 | Scotch Magic |
| tape Autoclave | Systec | D-200 | Ou autre entreprise |
| Centrifugeuse de paillasse | Fisher Scientific | 75002451 | Ou autre entreprise |
| Cordon élastique | Paracord Planet | 667569184000 | Or different company |
| Tube à centrifuger - 2 mL | Sigma Aldrich | BR780546-500EA | Tube Eppendorf |
| Tube à centrifuger conique - 15 mL | Fisher Scientific | 11507411 | Tube Falcon |
| Tube à centrifuger conique - 50 mL | Fisher Scientific | 10788561 | Tube Falcon |
| Bras de déploiement | Irwin | 1964719 | Ou une autre entreprise |
| Connecteur de boîtier de déploiement | Fisher Scientific | 21-236-4 | Voir les alternatives dans le manuscrit |
| Essuie-glaces jetables | Kimtech - Fisher Scientific | 06-666 | Kimwipes |
| Cytometer Beckman | C09756 | CYTOFlex | |
| Glutaraldehyde 25 % | Sigma Aldrich | G5882 | Ou autre société |
| Colorant fluorescent vert | Sigma Aldrich | S9430 | SYBR Vert I - dilution finale 1:10 000 |
| Cartouche filtrante GP hydrophile - 0,2 & micro ; m | Merck | C3235 | Filtre Sterivex |
| In Situ Chemotaxis Assay (ISCA) | - | - | Contacter les auteurs correspondants |
| Découpeuse laser | Epilog Laser | Fusion pro 32 | Ou autre société |
| Luria Bertani Broth | Sigma Aldrich | L3022 | Ou autre société |
| Marine Broth 2216 | VWR | 90004-006 | Difco |
| Nylon vis à tête plate fendue | McMaster-Carr | 92929A243 | M 2 & times ; 4 & times ; 8 mm |
| Set de pipettes | Fisher Scientific | 05-403-151 | Ou d’une autre entreprise |
| Pointes de pipette - 1 mL | Fisher Scientific | 21-236-2A | Ou d’une autre entreprise |
| Pointes de pipette - 20 & micro ; L | Fisher Scientific | 21-236-4 | Ou une autre société |
| Pointes de pipette - 200 & micro ; L | Fisher Scientific | 21-236-1 | Ou une autre entreprise |
| Sel de mer Sigma Aldrich | S9883 | Pour l’eau de mer artificielle | |
| Pipette sérologique - 50 mL | Sigma Aldrich | SIAL1490-100EA | Ou une autre entreprise |
| Filtre à seringue - 0,02 & micro ; m | Whatman | WHA68091002 | Anatop filtre |
| seringue - 0.2 & micro ; m | Fisher Scientific | 10695211 | Or different company |
| Seringue aiguille 27G | Henke Sass Wolf | 4710004020 | 0.4 × ; 12 mm |
| Seringues - 1 mL | Codau | 329650 | Insulin Luer U-100 |
| Seringues - 10 mL | BD | 303134 | ou autre société |
| Seringues - 50 mL | BD | 15899152 | Ou autre société |
| Tube rack - 15 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Ou autre entreprise |
| Rack de tube - 50 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Ou autre entreprise |
| Robinet à usage général en acier rapide non revêtu | McMaster-Carr | 8305A77 | Ou autre société |
| Filtre à vide - 0.2 µ ; m | Filtre Merck | SCGPS05RE | Steritop |
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