このプロトコルは、緑膿菌のさまざまなタイプの運動に関与する遺伝的要因を特定するための迅速かつ効率的な方法を提供します。
Method Article
このプロトコルは、緑膿菌のさまざまなタイプの運動に関与する遺伝的要因を特定するための迅速かつ効率的な方法を提供します。
運動行動は、細菌がその環境で利用可能な資源を利用する能力に重要な役割を果たすことがよくあります。これは特に、汎用性の高い病原体 である緑膿菌に当てはまり、群れやけいれんなど、さまざまな種類の運動性を示すことができ、これらは表面のコロニー形成、バイオフィルムの形成、および宿主防御の回避に寄与する重要な病原性形質です。この原稿は、 緑膿菌の運動性挙動を研究するためのハイスループット運動性プロトコルを提示します。このプロトコルでは、例えば、ゲノムワイドな変異体ライブラリーから 緑膿菌 の複数の株を同時に試験し、その運動性に関与する遺伝的要因を特定し、分析することができます。このアプローチは、運動性を包括的に研究する可能性と、 緑膿菌 の運動性の根底にある分子メカニズムへの洞察を提供します。ここで説明するプロトコルは、さまざまなタイプの運動性アッセイや他の細菌種に対応するように変更することもできるため、さまざまな状況での細菌の挙動の理解を深めるための強力なプラットフォームを提供します。
緑膿菌は、その顕著な代謝の多様性により、多様な環境にコロニーを形成することができる日和見病原体です1,2。この汎用性は、プランクトン性の成長モードからバイオフィルムへの移行にとって重要であり、水から人体3,4,5に至るまでの幅広いニッチで繁栄する能力に貢献します。これらの成長モード間の移行は、水泳、群れ、けいれんなど、さまざまな種類の運動性を使用してこれらの環境を移動する広範な能力によって助けられます1,6。各タイプの運動性は、異なるメカニズムと細胞構造によって媒介され、緑膿菌が環境の手がかりに応答することを可能にします7,8。遊泳運動性は、単一の極性鞭毛によって駆動され、液体媒体を介して栄養素(たとえば9)に向かって移動するために使用されます。群れ運動性は、べん毛およびバイオサーファクタントの生産によって促進される協調的な運動であり、コロニーが半固体表面に広がることを可能にする10,11。最後に、けいれん運動性はべん毛に依存しません。代わりに、けいれんはIV型線毛(T4P)によって媒介され、表面12,13の上を移動するために使用されます。けいれん運動性は、初期表面付着を提供することにより、緑膿菌のバイオフィルム形成の初期段階にも寄与します。最初の付着後、けいれんにより、細菌は表面を移動してマイクロコロニーを形成し、それが成熟したバイオフィルムに成長する可能性があります1,4,13。
従来、細菌の運動性アッセイは、一度に1株ずつ、柔らかい寒天プレート上で、または顕微鏡法を使用して個別に実施されます6,14,15。半固体培地は、細菌の運動性の研究において長年使用されてきました。今日でも、これらの技術は細菌の運動性表現型を特定するために使用されています。例えば、伝統的に、群れ運動性は、M9培地を含有するペトリ皿の中心に2.5μLの緑膿菌培養物を0.5%〜0.8%の寒天濃度16で接種することによって観察される。けいれん運動性は通常、培地を通じて緑膿菌を刺した後、寒天(1%)とペトリ皿の基部との間の界面での細菌の広がりを調べることによって測定されます。インキュベーションの48時間後に間質性コロニー拡大の大きなハローが得られるが、非痙攣性株はそのようなコロニー拡大ゾーンを生じさせない1,17,18。
最近では、トランスポゾン突然変異導入アプローチにより、緑膿菌の運動性またはバイオフィルム形成に関与する新しい遺伝子が発見されました19,20,21。例えば、痙攣運動に関与する新しい遺伝子は、緑膿菌19の高密度トランスポゾン変異体ライブラリーを用いて発見された。機能ゲノミクスにおけるもう一つの有用なツールは、順序付けられた突然変異体コレクションの使用である22,23。慶應コレクション24は、大腸菌の非必須遺伝子の単一欠失を含む、おそらく最もよく知られた変異体コレクションであり、異なる培地での増殖25から細胞形態26など、さまざまな表現型に影響を与える遺伝子を定義するために使用されてきた。このようなコレクションは、Salmonella enterica serovar Typhimurium27、Bacillus subtilis28、P. aeruginosa29、および他の多くの種にも利用可能です。また、これらのコレクションはゲノムワイドな運動性の研究にも適しており、緑膿菌の運動性を研究するためのハイスループット法の開発につながっています。ここでは、緑膿菌の変異体の寄与を評価することにより、この方法を、高密度プレート上の痙攣運動性と群れ運動性の両方に対して評価することによってテストしました。このハイスループット法は、さまざまな運動表現型に使用でき、他の細菌の運動性の研究にも適しています。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
注: この手順の一般的なワークフローを 図 1 に示します。

図1:実験ワークフロー (1)実験で関心のある運動性の種類に基づいて、必要な量の運動性培地を調製します。(2)手動または自動のレプリケーターシステムを使用して、変異体コレクションの 緑膿菌 トランスポゾン挿入変異体ライブラリーのソースストックプレートを適切な密度で調製し、プレートのすべてのウェルでの精度と均一な接種に重点を置いています。(3)変異体コレクションのソースプレートから運動性プレートにサンプルを移します。(4)インキュベーション後、運動表現型を観察・解析し、高画質な画像を用いて目的の運動に関与する遺伝子を同定する。(5)従来の運動性アッセイを実施して、ハイスループット運動性実験を通じて同定されたヒットを検証します。BioRenderで作成。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| スウォーミングプレート - M9 メディア | トゥイッチングプレート - LB media | ソースプレート - LB media |
| 5x M9塩溶液200mL | NaCl 10 g | NaCl 10 g |
| 20%グルコース10mL | トリプトン 10 g | トリプトン 10 g |
| カサミノ酸25mL | 酵母エキス5g | 酵母エキス5g |
| 1 mL の 1M MgSO4 | 寒天 10g | 寒天 15g |
| 1%寒天 500mL | 1LにdH2Oを追加 | 1LにdH2Oを追加 |
| 1LにdH2Oを追加 | ゲンタマイシン(最終濃度15μg/mL) |
表1:アッセイで使用されるさまざまなプレートの培地組成。
1. 培地プレートの調製
注:ストック溶液と保管条件を準備するには 、材料の表 を参照してください。プレートは平らな面に充填する必要があります。乾燥させるときは、プレートは表面が平らであるべきです(つまり、積み重ねられていない)。これにより、プレート内の培地が均一に乾燥します。一般的なフットプリントのユニウェルプレートであればどれでも機能しますが、Singer Instruments Plus PlatesやVWRシングルウェル未処理組織培養プレートなど、より大きな内寸のプレート(内壁なし)を使用すると、プレートあたりのコロニー密度が高くなる作業が容易になります。
2. 緑膿菌トランスポゾン変異体ライブラリーのソースプレートの調製
注:ソースプレートとは、後で運動性プレートを接種するために使用されるPA14ライブラリのコピーを含むLBA-ゲンタマイシンプレートを指します。 緑膿菌トランス ポゾン変異体ライブラリー(PA14ライブラリー)は、59枚の凍結96ウェルプレート29のセットである。以下、各フォーマットのソースプレートを調製する手順について説明します。このプロトコルは、Rotor+ リプリケーターにアクセスできないラボにも適応できます。研究者は、1日目にPA14ライブラリの凍結プレートを複製するためにここで使用したバネ式96ピンリプリケータ( 材料表を参照)やその他の96ピンリプリケータなどの手動リプリケータを使用して、同じ実験手順を正常に実行できます。手動レプリケーターは、使用するたびに滅菌し、冷却する必要があります。

図2:96密度プレートから384密度プレートへのアップスケーリング。 4つの96密度ソースプレートからのコロニーは、1つの384密度プレートに移され、マージされます。384密度プレートの各象限は、元の96ウェルプレート(赤、青、黄、緑)の1つに対応し、各変異体の位置を保持します。BioRenderで作成。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
3. ハイスループット運動性実験
注:このプロトコルは、ここでは384密度フォーマットで実施されましたが、384の代わりに96選択を使用してソースプレートから運動性プレートに転送するようにリプリケータ上のパラメータを変更することにより、同じプロトコルを96密度フォーマットに適合させることができます。
4. 運動表現型の解析
注:画像解析は、French et al.30,31によって詳細に説明されているように行われます。データ解析を行うスクリプトは、31(ImageJ Macro)から入手できます。
5. ヒットの検証のための従来の運動性アッセイ
注:ハイスループット運動性プロトコルで運動性が影響を受けた変異体を観察した後、得られたヒットを個別に検証することが重要です。個々の運動プロトコルは、ハイスループットテストで使用されるものとは異なりますが、使用されるメディアは同じです。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
このプロトコルを使用して、遺伝子の不活性化が 緑膿菌の 運動性に及ぼす影響をハイスループットで特徴付けました。ここでは、 Pのゲノム全体の欠失コレクションにおける群れとけいれん運動性を研究するためのその使用について詳しく説明します。 緑膿菌 PA14株(PA14ライブラリー)。このプロトコルは、優れた汎用性と使いやすさを提供し、異なる培地や変異体コレクションの使用など、プロトコルのさまざまなステップに変更を加えることができます。
変異体は、その運動性領域に基づいて採点されました。プレート上のほとんどの変異体は、 緑膿菌の 運動性に影響を与えないため、プレート上のすべての変異体の運動性平均はWTと見なされます。試験した変異体をランク付けし、下位15%を厳格に選択しました。その後、これらの変異体の一部を従来のアッセイを用いて確認しました。平均よりも大きい運動表現型を示す変異体は、この解析では同定されなかった。この方法論は、運動性の表現型が低下した変...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ここで説明するハイスループット運動性プロトコルにより、多くのコロニーの運動性表現型を精度と再現性で処理および分析できます。従来の手動法と比較して、この半自動アプローチにより、運動性アッセイのスケーラビリティとスループットが向上し、細菌の運動性をゲノム全体で評価できるようになります。このプロトコールはPA14ライブラリーと併用するように最適化されていますが、このアッセイは、大 腸菌24 の慶應コレクションや サルモネラ菌 血清型チフィムリウム27のSGDコレクションなど、任意の変異体ライブラリーと併用できます。さらに、このプロトコルは、変異体のライブラリではなく、株のライブラリで動作するように最適化することもできます。例えば、このプロトコルは、嚢胞性線維症患者から単離された 緑膿菌 株のライブラリーの運動性表現型を決定するのに役立ちます。特定の菌株または実験条件に対してプロトコールを最適化するために、分析法...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
著者は開示しないことを宣言します。
PA14ライブラリのコピーを提供してくださったMcMaster大学のSurette研究室に感謝します。原稿に対する有益なコメントをいただいたFabrice Jean-Pierre博士に感謝します。この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会(RGPIN-2019-06044)と、 ケベック州立大学サンテ財団 (FRQS;#295613)からの新しい研究者のための開始助成金によって支援されました。J.-P.C. は、Fonds de recherche du Québec-Santé (FRQS) から Chercheur boursier junior 2 フェローシップを保持しています。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 96枚のウェルプレート | コーニング | 3701 | |
| アガー | フィッシャー・サイエンティフィック | BP1423-2 | 群れ運動率はそれぞれ0.5%、痙攣運動率1%の最終濃度です。 |
| カサミノ酸とnbsp; | フィッシャー・サイエンティフィック | 223050 | 20%のストックを水に浸して準備します。フィルターは0.22 & muで滅菌します。mをろ過し、4 & Cで保存。最終濃度は M9 最低培地中 0.5%。 |
| クリスタルバイオレット | バイオベーシック | CB0331 | 1%の溶液を水に淹れて準備します。 |
| D-グルコース | バイオベーシック | GB0219 | 20%(1.1 M)のストックを水に浸して自滅菌します。最終濃度はM9最小培地中0.2%。nbsp; |
| フィルトロプル S 0.2 | Sarstedt | 83.1826.001 | |
| ゲンタマイシン硫酸塩 | バイオベーシック | GB0217 | 30 mg/mlのストックを水に淹れて準備します。フィルターは0.22 & muで滅菌します。Mフィルターを使い、4度で保存します。C & ndash;最終濃度はプレート15および微量で、g/mL... |
| 接種ループと針の導入など; | フィッシャー・サイエンティフィック | 22363597 | |
| M9 ミニマルソルト、5X | フィッシャー・サイエンティフィック | 248510 | 100万杯のストックを水に浸して、オートクレーブで滅菌します。最終濃度はM9最小培地中の1 mM。および注:: |
| 硫酸マグネシウム(MgSO4)およびnbsp; | フィッシャー・サイエンティフィック | M63-500 | 1 M mgSO4のストックを水に淹れて準備します。フィルターは0.22 & muで滅菌します。Mフィルターをして常温で保存します。最終濃度 |
| PA14 トランスポゾン挿入変異体ライブラリ | Liberatiら、2006年(参考文献29参照) | 全コレクションに59枚の96ウェル版が収蔵されています。各井戸にはLBに25%グリセロールを含む単一の変異体が含まれています。 | |
| ペトリ皿 92×16mm | Sarstedt | 82.1473.001 | |
| フェノブース+ | シンガー・インストゥルメンツ | https://www.singerinstruments.com/solution/phenobooth/specification/ | 11.3gの粉末を200mLの精製水に溶かします。オートクレーブ温度121度&デグ;Cは15分、nbsp; |
| プラスチック製注射器 10 mL | フィッシャー・サイエンティフィック | 14955459 | |
| ローター+ | シンガー・インストゥルメンツ | https://www.singerinstruments.com/resource/rotor-had/ | |
| 短いピンリパッド 384密度 | シンガー・インストゥルメンツ | REP-004 | |
| ショートピンリパッド 96密度 | シンガー・インストゥルメンツ | REP-002 | |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | フィッシャー・サイエンティフィック | BP358-212 | |
| スプリング式96ピンレプリケーター | EnzyScreen | CR1000 | |
| 手術用ブレード ステンレス No. 25 | フィッシャー・サイエンティフィック | 08-918-5F | |
| トリプトン | オキソイド | LP0042B | |
| ユニウェルプレート | シンガー・インストゥルメンツ | プラスプレート:PLU-003 | プレート寸法:54 &34時間以上;38 cm - 内壁がなく、内部寸法が大きくなっています。nbsp; |
| ユニウェルプレート | VWR | 単一ウェル組織培養プレート:75780-348 | プラスプレートと同じ寸法です。 |
| 酵母抽出物など; | フィッシャー・サイエンティフィック | 248510 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission