Questo studio presenta lo sviluppo di metodologie riproducibili per studiare gli inibitori del biofilm e i loro effetti sulla multicellularità del Bacillus subtilis.
Articolo metodologico
Questo studio presenta lo sviluppo di metodologie riproducibili per studiare gli inibitori del biofilm e i loro effetti sulla multicellularità del Bacillus subtilis.
Questo lavoro valuta diverse metodologie per studiare l'impatto degli inibitori del biofilm di piccole molecole, come i D-amminoacidi, sullo sviluppo e la resilienza dei biofilm di Bacillus subtilis. In primo luogo, vengono presentati metodi che selezionano inibitori di piccole molecole con bersagli specifici del biofilm al fine di separare l'effetto degli inibitori di piccole molecole sulla crescita planctonica dal loro effetto sulla formazione del biofilm. Successivamente, ci concentriamo su come le condizioni di inoculazione influenzano la sensibilità delle colture multicellulari e fluttuanti di B. subtilis agli inibitori di piccole molecole. I risultati suggeriscono che le discrepanze negli effetti riportati di tali inibitori come i D-amminoacidi sono dovute a condizioni pre-coltura incoerenti. Inoltre, viene descritto un protocollo di recente sviluppo per valutare il contributo dei trattamenti con piccole molecole verso la resistenza del biofilm alle sostanze antibatteriche. Infine, vengono presentate le tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM) per analizzare la disposizione spaziale tridimensionale delle cellule e della matrice extracellulare circostante in un biofilm di B. subtilis. Il SEM facilita la comprensione dell'architettura tridimensionale del biofilm e della struttura della matrice. Una combinazione dei metodi qui descritti può essere di grande aiuto per lo studio dello sviluppo del biofilm in presenza e assenza di inibitori del biofilm e far luce sul meccanismo d'azione di questi inibitori.
comunità batteriche multi-cellulari giocano un ruolo significativo in ambienti naturali e antropici, e può essere utile o altamente deleterio. Queste colonie multicellulari sono noti come biofilm, in cui le singole celle sono incorporate in una matrice sostanze polimeriche extracellulari autoprodotti (EPS). L'EPS aderiscono fortemente le cellule alla superficie colonizzano. Essi servono come scudo contro le forze meccaniche e chimiche e creano stretto contatto tra cellule vicine, facilitando comunicazione cellulare 1. Un biofilm può essere visto come una comunità differenziate, in cui le cellule uso altamente regolati, orchestrato processi per coordinare le loro attività all'interno della comunità, così come tra le specie 2-5. Il passaggio da un planctoniche, modalità di vita libera di crescita a uno stato biofilm è spesso associata a processi di sviluppo. Un buon esempio è il Bacillus subtilis batterio del suolo Gram-positivi, e quindi un undómëceppo sticated serve come un modello robusto organismo per studiare le fasi di sviluppo che portano alla formazione di biofilm. In questo batterio, cellule mobili si organizzano in strutture multicellulari cospicui che svolgono mansioni specializzate 4. Un gruppo di cellule, la matrice-produttori secernono esopolisaccaridi 6, la proteina amiloide ATAS 7,8, e la proteina di superficie hydrophobicity BSLA 9,10; ognuno dei quali partecipare all'Assemblea degli EPS 11-13.
Data l'abbondanza di biofilm in nicchie naturali e antropici e il danno fatale putativo possono causare, vi è un urgente bisogno di trovare modi per prevenire la loro formazione. Gli inibitori di piccole molecole in grado di aiutare nella scoperta di nuovi percorsi normativi, enzimi e proteine strutturali coinvolte nella formazione di biofilm, e, quindi, di promuovere approfondimenti nei complessi processi di assemblaggio comunità multicellulare. Come B. subtilis è un modello ben studiato per la biofilmazione 14,15, può essere utilizzato per valutare gli effetti di vari inibitori biofilm. Questo studio affronta quattro metodi fondamentali che sono fondamentali per la valutazione della risposta dei biofilm a piccole molecole inibitrici. Innanzitutto, per garantire che questi inibitori hanno un obiettivo specifico biofilm, la separazione degli effetti sulla crescita planctonici dall'effetto sulla formazione del biofilm è critica. La maggior parte degli agenti antibatterici colpire le cellule nella loro fase di crescita planctonici, ma le molecole che hanno come target lo stile di vita biofilm sono rari. Inoltre, come le molecole che non influenzano la crescita planctonici non sono tossici, possono ridurre la pressione selettiva che favorisce i mutanti resistenti agli antibiotici 16. Per esempio, quando biofilm sono trattati con D-amminoacidi o alcune altre molecole parete cellulare interferente, o sono disturbati o smontati, ma questi inibitori riguardano solo lievemente planktonic 12,17 crescita. Al contrario, molti antibiotici alterano drammaticamente la crescita planctonici, con little o nessun effetto sulla formazione di biofilm 17.
In secondo luogo, che stabilisce un quadro sperimentale consistente e robusto per studiare l'effetto delle piccole molecole è fondamentale. Abbiamo osservato che l'intervallo di concentrazione attiva delle piccole molecole inibitrici era sensibile alle condizioni pre-coltura e alla configurazione sperimentale utilizzato per studiare l'effetto di queste piccole molecole inibitrici. Diversi rapporti, in particolare quelli che studiano B. subtilis, rivelato variazioni nell'intervallo di concentrazione in cui D-amminoacidi inibiscono la formazione di pellicole - i galleggianti biofilm batterici 12,17-19. I risultati qui presentati indicano che i seguenti fattori rappresentano differenze nella gamma di concentrazione attiva: le condizioni di pre-coltura (logaritmica 12,17 contro fase tardo-stazionaria 20 di crescita), il terreno di coltura utilizzato nella condizione di pre-cultura (ricco, indefinita [Luria Broth, LB] contro definito [glutammato monosodico-glycerol, MSgg]), il rapporto di inoculazione e soprattutto la rimozione del mezzo di precoltura prima dell'inoculo. La temperatura di crescita pellicola statica mostrato un ruolo meno importante nella gamma attività della piccola molecola inibitore D-leucina, acido rappresentante D-amino utilizzato in questo studio.
Infine, una volta che i biofilm sono trattati con inibitori biofilm specifici, metodi robusti e informativi sono necessari per caratterizzare gli effetti di questi inibitori sui biofilm fitness. Qui, due metodi per caratterizzare in modo indipendente l'effetto di piccole molecole inibitrici sono descritte in dettaglio: (1) L'effetto sulla singole celle all'interno di una colonia di biofilm e la loro resistenza agli agenti antimicrobici. Le cellule in biofilm sono in genere più resistenti agli antibiotici rispetto ai batteri a vita libera 21-23. Mentre questo fenomeno è multifattoriale, la capacità dell'EPS per ridurre la penetrazione antibiotico è spesso considerata come una spiegazione attraente 24 . Questo metodo valuta la sopravvivenza delle cellule biofilm prestabiliti dopo l'esposizione a sostanze antibatteriche. (2) L'effetto sull'architettura biofilm colonia, dalla grande alla piccola scala. colonie Biofilm sono caratterizzati dalla loro struttura tridimensionale e la presenza di EPS. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione, cambiamenti nella morfologia cellulare, struttura colonia biofilm e l'architettura e l'abbondanza dei EPS possono essere visualizzati dal grande (mm) alla piccola scala (micron).
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1. valutare l'effetto di piccole molecole inibitori sulla Pellicle e la formazione di biofilm Colony

Figura 1. panoramica concettuale per l'identificazione di un robusto apparato sperimentale per valutare l'inibizione specifica della formazione di biofilm. I criteri di selezione per le piccole molecole inibitrici che indicano l'interferenza specifico con la formazione di biofilm, senza effetto pronunciato sulla crescita planctonici. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
2. Etanolo Resistenza Assay

Figura 2. Esempio disegno sperimentale per valutare la resistenza delle cellule biofilm colonie di agenti sterilizzanti. (A) Template utilizzato per la distribuzione uniforme delle colonie biofilm attraverso una piastra di Petri e per il taglio. (B)immagini top-down non trattati wild-type biofilm coltivate per 68 h su terreno solido, definito biofilm che inducono MSgg a 30 ° C. L'ingrandimento mostra come una colonia biofilm può essere tagliato in due metà uguali. (C) Le due metà uguali biofilm sono trattati allo stesso modo (il controllo, PBS) o sia con PBS o agente sterilizzante e trattati come descritto. Bar Scala:. 1 cm Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3. biofilm Colony Preparazione del campione per la microscopia elettronica a scansione
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Il saggio pellicle è un metodo per studiare i processi altamente regolamentati e dinamici di B. subtilis pluricellularità. Oltre a questo, il saggio pellicle è adatto per testare una serie di condizioni sia di pre-avviamento o concentrazioni molecola di piccole dimensioni in un piatto multidish singola cella-cultura in un esperimento. Tuttavia, B. subtilis formazione pellicle è sensibile alle condizioni pre-coltura (ad esempio, crescita media del pre-coltura e la sua fase di crescita), il rapp...
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Bacillus subtilis forme robuste e altamente strutturati biofilm sia a liquido (pellicole) e su terreno solido (colonie). Quindi, serve come organismo modello ideale per caratterizzare la modalità d'azione degli inibitori specifici biofilm. Il supporto solido, cellule formano strutture multicellulari con caratteristiche distintive che non sono evidenti in pellicole, come rughe irradiano dal centro verso il bordo. Così, pellicole e le colonie sono sistemi complementari per lo studio B. subtilis pluri...
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.
L'imaging al microscopio elettronico è stato condotto presso l'Unità di Microscopia Elettronica del Weizmann Institute of Science, supportata in parte dall'Irving and Cherna Moskowitz Center for Nano and Bio-Nano Imaging. Questa ricerca è stata supportata anche dalla sovvenzione ISF I-CORE 152/1, dai coniugi Dan Kane, dalla signora Lois Rosen, da una borsa di ricerca Yeda-Sela, dalla Larson Charitable Foundation, dal Ruth and Herman Albert Scholars Program for New Scientists, dall'Ilse Katz Institute for Materials Sciences and Magnetic Resonance Research grant, dalla sovvenzione del Ministero della Salute per metodi di ricerca alternativi, e dalla Cooperazione Francia-Israele - Programma di Ricerca Maimonide-Israele. IKG ha ricevuto la cattedra per lo sviluppo della carriera Rowland e Sylvia.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Luria Brodo, Lennox | Difco | 240230 | |
| Bacto Agar | Difco | 214010 | |
| fosfato di potassio monobasico | Sigma, 136,09 g/mol | P0662-500G | |
| fosfato di potassio bibasico | Fisher Scientific, 174,18 g/mol | BP363-1 | |
| acido propansolfonico 3-(N-morpholino) | Scientific, 209,27 g/mol | BP308-500 | |
| cloruro di magnesio esaidrato | Merck, 203,30 g/mol | 1.05833.0250 | |
| cloruro di calcio anidro | J.T. Baker, 110.98 g/mol | 1311-01 | |
| cloruro di manganese(II) tetraidrato | Sigma, 197.91 g/mol | 31422-250G-R | |
| cloruro di ferro (III) esaidrato | Sigma, 270,30 g/mo) | F2877-500G | |
| cloruro di zinco anidro | Acros Organics, 136,29 g/mol | 424592500 | |
| tiamina cloridrato | Sigma, 337,27 g/mol | T1270-100G | |
| L-triptofano | Fisher Scientific, 204,1 g/mol | BP395-100 | |
| L-fenilalanina | Sigma, 165,19 g/mol | P5482-100G | |
| L-treonina | Sigma, 119,12 g/mol | T8625-100G | |
| glicerolo anidro | Bio-Lab Itd 712022300 | ||
| acido L-glutammico sali monosodici idrato | Sigma, 169,11 g/mol | G1626-1KG | |
| D-leucina | Sigma, 169,11 g/mol | 8555448-10G | |
| etanolo anidro | Gadot | 830000054 | |
| lama di rasoio | Eddison | NA | |
| da filtro circolari in cellulosa | Whatman, 90 mm | 1001-090 | |
| glutaraldeide | EMS (Electron Micoscopy Science), 25% in acqua | 16220 | |
| paraformaldeide | EMS, 16% in acqua | 15710 | |
| cacodilato di sodio | Merck, 214,05 g/mol | 8.2067 | |
| cloruro di calcio 2-idrato | Merck, 147.02 g/mol | ||
| stub-alluminio montatura | EMS, testa scanalata | 75230 | |
| nastro adesivo al carbonio | EMS | 77825-12 | |
| Shaker 37 ° C | New Brunswick Scientific Innowa42 | NA | |
| Centrifuga | da tavolo Eppendorf centrifuga 5424 | NA | |
| Sonificatore digitale, modello 250, utilizzato con incubatore a doppia punta Microtip | Branson | NA | |
| 30 ° C | Binder | NA | |
| Incubatore 23 gradi C | Binder | NA | |
| Filter System, 500 ml, polistirene | Cornig Incorporated | NA | |
| Rotary Shaker - Orbitron Rotatory II | Boekel | NA | |
| S150 Sputter Coater | Edwards | NA | |
| CPD 030 Essiccatore a punti critici | BAL-TEC | NA | |
| Microscopio elettronico a scansione ambientale | XL30 ESEM FEG Philips (FEI) | NA |
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