この研究は、バイオフィルム阻害剤とそのBacillus subtilis多細胞性への影響を研究するための再現可能な方法論の開発を示しています。
方法論記事
この研究は、バイオフィルム阻害剤とそのBacillus subtilis多細胞性への影響を研究するための再現可能な方法論の開発を示しています。
この研究は、D-アミノ酸のような小分子バイオフィルム阻害剤がBacillus subtilisバイオフィルムの開発と回復力に与える影響を研究するためのさまざまな方法論を評価します。まず、低分子阻害剤がプランクトン成長に及ぼす影響とバイオフィルム形成への影響を分離するために、バイオフィルム特異的な標的を持つ低分子阻害剤を選択する方法を提示する。次に、接種条件が多細胞浮遊枯草菌培養物の低分子阻害剤に対する感受性にどのように影響するかに焦点を当てます。この結果は、D-アミノ酸などの阻害剤の報告された効果の不一致は、培養前条件の一貫性がないためであることが示唆されています。さらに、抗菌物質に対するバイオフィルム耐性に対する低分子処理の寄与を評価するために最近開発されたプロトコルが記載されている。最後に、走査型電子顕微鏡(SEM)技術を提示して、枯草菌バイオフィルム内の細胞とその周囲の細胞外マトリックスの3次元空間配置を分析します。SEMは、3次元バイオフィルムの構造とマトリックステクスチャへの洞察を促進します。ここで説明する方法の組み合わせは、バイオフィルム阻害剤の存在下と非存在下でのバイオフィルム発生の研究に大いに役立ち、これらの阻害剤の作用機序に光を当てることができます。
多細胞細菌群集は、自然と人為的な環境で重要な役割を果たし、かつ有益であるか、または非常に有害であり得ます。これらの多細胞コロニーを、個々の細胞が自己生産細胞外ポリマー物質(EPS)マトリックス中に埋め込まれている前記バイオフィルムとして知られています。 EPSは強く、彼らが植民地化の表面に細胞を接着します。彼らは、機械的および化学的な力に対するシールドとして機能し、セルラー通信1を容易に 、隣接するセルの間の密接な接触を作成します。バイオフィルムは、細胞が高度に制御使用差別コミュニティ、と見ることができる、コミュニティ内だけでなく、種2-5全体で彼らの活動を調整するためのプロセスを画策。バイオフィルム状態への成長のプランクトン、自由生活モードからの移行は、多くの場合、発達過程と関連しています。良い例は、グラム陽性土壌細菌の枯草菌(Bacillus subtilis)、したがってundomeですsticated株は、バイオフィルム形成につながる発達段階を研究するための堅牢なモデル生物としての役割を果たす。この細菌では、運動性の細胞は、特殊なタスク4を実行目立つ多細胞構造に自分自身を整理します。細胞の一つのグループは、マトリックス・プロデューサーはエキソポリサッカライド6を分泌し 、アミロイドタンパク質TASA 7,8、および表面疎水性タンパク質BslA 9,10;これらの全ては、EPS 11-13の組み立てに参加しています。
自然と人為的ニッチでのバイオフィルムの豊かさと、彼らが引き起こす可能性が推定される致命的なダメージを考えると、それらの形成を防止するための方法を見つけることが急務です。小分子阻害剤は、バイオフィルム形成に関与する新たな調節経路、酵素および構造タンパク質の発見を補助し、それによって多コミュニティアセンブリの複雑なプロセスにおける洞察を促進することができます。 B.として枯草菌バイオのためのよく研究モデルであります成膜14,15は、様々なバイオフィルム阻害剤の効果を評価するために使用することができます。この研究は、小分子阻害剤に対するバイオフィルムの反応を評価するための主要な4つの基本的な方法に取り組みます。まず、これらの阻害剤はバイオフィルム特有の目標を持っていることを確認するために、バイオフィルム形成に及ぼす影響からプランクトンの成長への影響の分離が重要です。ほとんどの抗菌剤は、それらのプランクトン増殖期の細胞を標的とするが、バイオフィルムのライフスタイルをターゲット分子はまれです。プランクトンの成長に影響を及ぼさない分子は毒性がないとして加えて、彼らは抗生物質耐性変異体16に有利な選択圧を減らすことができます。バイオフィルムは、D-アミノ酸または他の特定の細胞壁干渉分子で処理した場合、例えば、それらは、いずれの乱れまたは分解が、これらの阻害剤は、軽度に浮遊成長12,17に影響を及ぼす。これとは対照的に、多くの抗生物質は劇的リットルで、プランクトンの成長を損ないますittleまたはバイオフィルム形成17に影響はありません。
第二に、小分子の効果を研究するための一貫性と堅牢な実験的な枠組みを確立することが重要です。我々は、小分子阻害剤の有効濃度範囲は、前培養条件およびこれらの小分子阻害剤の効果を研究するために使用される実験に感受性であったことを観察しました。各種レポート、Bを勉強特に浮遊細菌のバイオフィルム12,17-19 - 枯草菌は、D-アミノ酸がペリクルの形成を阻害する濃度範囲の変化を明らかにしました。ここに示された結果は、以下の要因が活性濃度範囲の差を考慮することを示唆している:前培養条件(後期静止20増殖期対対数12,17)、前培養の条件で使用される増殖培地は、(リッチ、定義された対未定義[ルリアブロス、LB] [グルタミン酸ナトリウム- グリセロール、MSgg])、接種率、特に接種前に前培養培地を除去します。静的ペリクル成長の温度は、小分子阻害剤D-ロイシン、本研究で使用した代表D-アミノ酸の活性範囲においてそれほど重要な役割を示しました。
最後に、一度バイオフィルムは、特定のバイオフィルム阻害剤は、堅牢かつ有益な方法は、バイオフィルムのフィットネスにこれらの阻害剤の効果を特徴付けるために必要とされるで処理されます。ここでは、独立して小分子阻害剤の効果を特徴づけるための2つの方法が詳細に記載されている:(1)バイオフィルムコロニー中で単一細胞に作用し、抗菌剤に対する耐性。自由生活細菌21-23と比較した場合、バイオフィルム中の細胞は、典型的には、抗生物質に対してより耐性があります。この現象は多因子ですが、抗生物質の侵入を低減するためのEPSの能力は、多くの場合、魅力的な説明を24としました。この方法は、抗菌性物質への曝露後の予め確立されたバイオフィルム細胞の生存率を評価します。 (2)バイオフィルムコロニーアーキテクチャへの影響を、大から小スケールへ。バイオフィルムコロニーは、それらの三次元構造およびEPSの存在によって特徴付けられます。小スケール(μm)とし、走査型電子顕微鏡を利用して、細胞形態、バイオフィルムコロニー構造とEPSのアーキテクチャ及び存在量の変化が大きい(ミリメートル)から可視化することができます。
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1.ペリクルおよびバイオフィルムコロニー形成への小分子阻害剤の影響を評価します

図1.バイオフィルム形成の特異的阻害を評価するための堅牢な実験を識別するための概念的な概要。プランクトンの成長に顕著な効果のないバイオフィルム形成との特異的な干渉を示す小分子阻害剤の選択基準。 拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。この図の。
2.エタノール耐性アッセイ

図2の例滅菌剤にバイオフィルムコロニー細胞の抵抗性を評価するための実験デザイン。シャーレ全体の生物膜コロニーの平等な分配のためにおよび切断するためのもの(A)のテンプレート。 (B)30℃で固体で、定義されたバイオフィルム誘導MSgg媒体上に68時間増殖させ、未処置の野生型バイオフィルムのトップダウン画像。拡大は、バイオフィルムコロニーは2等分にカットすることができる方法を示しています。 (C)2つの等しいバイオフィルムの半分は、またはPBSまたは滅菌剤と記載されているように処理のいずれかで(PBS、コントロールを)同等に扱われています。スケールバー:1センチメートルこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
走査電子顕微鏡観察のため3.バイオフィルムコロニーサンプル調製
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ペリクルアッセイは、Bの高度に制御し、動的プロセスを研究するための1つの方法であります枯草菌の多細胞。この他にも、ペリクルアッセイは、1つの実験において、単一の細胞培養multidishプレートに予め始動条件または小分子のいずれかの濃度の範囲を試験するのに適しています。しかし、B.枯草菌ペリクルの形成は前培養条件に敏感である( 例えば 、前培養の増殖培地と成長期)、接種率と前培養培地を除去します。したがって、我々は、最初に、私たちは、D-ロイシンによりペリクル阻害を再現させて実験をスクリーニングしました。我々の結果は、細胞を振盪しながら4時間、37℃で3 mlのLB中で中期対数増殖期(単一コロニーを未定義、リッチLB培地中で前培養された場合、D-ロイシンによる再現ペリクル阻害が得られることを示しています)、スピンダウンし、1の前に定義されたMSgg培地に再懸濁:1,000 inoculatイオン( 図3A)。細胞は2時間、再希釈1のための1ミリリットルLBで中期対数増殖期(単一コロニーにMSgg培地中で増殖させたとき:100 MSg...
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枯草菌フォーム堅牢で高度に構造化されたバイオフィルムの両方の液体中(ペリクル)と固体培地上(コロニー)。したがって、特定のバイオフィルム阻害剤の作用の様式を特徴付けるための理想的なモデル生物として働きます。固形培地に、細胞は、エッジに、中心から放射状にシワのようなペリクルにおいて明らかではない独特の機能を持ったものと多細胞構造を形成します。したがって、ペリクルおよびコロニーは、Bを研究するための補完的なシステムであります枯草菌の多細胞。
この研究の目的は、Bを開発することですバイオフィルム(ペリクルおよびコロニー)阻害のための枯草菌のモデルシステム。いくつかのステップは、バイオフィルムの外乱エッセイの再現のために重要です。最初の重要なステップは、バイオフィルム形成に対する効果はプランクトンライフスタイルで成長した細菌に対する一般毒性によるものではないことを確認することです。これは、所定の濃度の効果を比較することによって考慮することができますプランクトンの成長にこの分子の効果...
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著者らは開示するものは何もない。
電子顕微鏡イメージングは、ワイツマン科学研究所の電子顕微鏡ユニットで行われ、一部はアーヴィング・アンド・チェルナ・モスコウィッツ・センター・フォー・ナノ・バイオ・ナノイメージングの支援を受けました。この研究は、ISF I-CORE助成金152/1、ダン・ケイン夫妻、ロイス・ローゼン氏、イェダ・セラ研究助成金、ラーソン慈善財団、ルース・アンド・ハーマン・アルバート・スカラーズ・プログラム・フォー・ニュー・サイエンティスト、イルゼ・カッツ材料科学研究所および磁気共鳴研究助成金、保健省の代替研究方法助成金によっても支援されました。 そしてフランス-イスラエル協力-マイモニデ-イスラエル研究プログラムによる。IKGは、Rowland and Sylvia Career Development Chairを受賞しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ルリアブロス、レノックス | Difco | 240230 | |
| Bacto Agar | Difco | 214010 | |
| カリウム一塩基性 | シグマ、136.09 g / | molP0662-500G | |
| リン酸二塩基性カリウム | フィッシャーサイエンティフィック、174.18 g / mol | BP363-1 | |
| 3-(N-モルフォリノ)プロパンスルホン酸 | ッシャーサイエンティフィック、209.27 g / mol | BP308-500 | |
| マグネシウム六水和物 | メルク、203.30 g/mol | 1.05833.0250 | |
| 塩化カルシウム無水物 | J.T. Baker, 110.98 g/mol | 1311-01 | |
| 塩化マンガン(II) 四水和物 | Sigma, 197.91 g/mol | 31422-250G-R | |
| 塩化鉄(III) 六水和物 | シグマ、270.30 g/月) | F2877-500G | |
| 無水塩化亜鉛 | Acros Organics、136.29 g / mol | 424592500 | |
| チアミン塩酸塩 | シグマ、337.27 g / mol | T1270-100G | |
| L-トリプトファン | ッシャーサイエンティフィック、204.1 g / mol | BP395-100 | |
| L-フェニルアラニン | シグマ、165.19 g / mol | P5482-100G | |
| L-スレオニン | シグマ、119.12 g / mol | T8625-100G | |
| 無水グリセロール | Bio-Lab Itd | 712022300 | |
| L-グルタミン酸一ナトリウム塩水和物 | シグマ、169.11 g/mol | G1626-1KG | |
| D-ロイシン | シグマ、169.11 g/mol | 855448-10G | |
| エタノール無水ガ | ドット | 830000054 | |
| カミソリ刃 | エジソン | NA | |
| 円形セルロース濾紙 | Whatman、90 mm | 1001-090 | |
| グルタルアルデヒド | EMS (電子顕微鏡科学)、25% 水 | 16220 | |
| パラホルムアルデヒド | EMS、16%水 | 15710 | |
| コジル酸ナトリウム | メルク、214.05 g / mol | 8.2067 | |
| カルシウム2水和物 | メルク、147.02 g / mol | ||
| スタブアルミマウント | EMS、スロットヘッド | 75230 | |
| カーボン粘着テープ | EMS | 77825-12 | |
| カー37°C | ニューブランズウィック サイエンティフィック Innowa42 | NA | |
| 遠心分離 | エッペンドルフ テーブルトップ遠心分離機 5424 | NA | |
| デジタル ソニファイア、モデル 250、ダブル ステップ Microtip | Branson | NA | |
| インキュベーター 30 ° で使用。C | バイン | ダーNA | |
| インキュベーター23°;C | バイン | ダーNA | |
| フィルターシステム、500 ml、ポリスチレン | Cornig Incorporated | NA | |
| ロータリーシェーカー - Orbitron Rotatory II | Boekel | NA | |
| S150スパッタコーター | Edwards | NA | |
| CPD 030臨界点乾燥機 | BAL-TEC | NA | |
| 環境走査型電子顕微鏡 | XL30 ESEM FEG Philips(FEI) | NA |
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