ソース: アンドリュー J. ヴァン アルスト1, リアノン M. ルヴェーク1, ナタリア マーティン1, ビクター J. ディリタ1
1ミシガン州立大学微生物・分子遺伝学科、イーストランシング、ミシガン州、アメリカ合衆国
成長曲線は、細菌の成長運動学と細胞生理学に関する貴重な情報を提供します。それらは、細菌が可変増殖条件でどのように反応するかを決定し、特定の細菌に最適な増殖パラメータを定義することを可能にします。原型的な成長曲線は、成長の4つの段階を経て進行します:ラグ、指数、静止、および死(1)。
図1:細菌増殖曲線。バッチ培養で増殖した細菌は、ラグ、指数、静止、死の4つの段階を通じて進行します。ラグフェーズは、細菌が急速な細胞増殖および分裂が可能な生理学的状態に達するのにかかる時間の期間である。指数相は、DNA複製、RNA転写、タンパク質産生がすべて一定の速い速度で起こる最速の細胞増殖および分裂の段階です。静止相は、栄養制限および/または毒性中間蓄積による細菌の増殖の減速および高原化によって特徴付けられる。死期は、重度の栄養制限の結果として細胞リシスが起こる段階である。
ラグフェーズは、細菌が急速な細胞増殖および分裂が可能な生理学的状態に達するのにかかる時間の期間である。この遅れは、細菌が新しい環境に適応するのに時間がかかるために発生します。必要な細胞成分がラグフェーズで生成されると、細菌はDNA複製、RNA転写、タンパク質産生がすべて起こる成長の指数関数的段階に入ります。
1. セットアップ
2. プロトコル
3. データ分析と結果
細菌は細胞分裂と呼ばれるプロセスを通して再生し、2つの同一の娘細胞をもたらす。成長条件が良好であれば、細菌集団は指数関数的に成長します。
細菌の増殖曲線は、時間の関数として培養中の細菌の量をプロットします。典型的な成長曲線は、ラグフェーズ、指数相、静止相、死相の4段階を経て進行します。ラグフェーズは、細菌が急速に成長し、分裂できる状態に到達するのにかかる時間です。この後、細菌は指数相に移行し、急速な細胞増殖および分裂を特徴とする。この段階における細菌培養の指数関数的増殖速度は、特定の条件下で細菌が繁殖できる最速の速度である倍増時間として表すことができる。静止した段階は、細菌細胞の成長高原と環境栄養素の枯渇のために成長と死亡率が均等に出てくる次に来る。最後に、細菌は死期に入る。これは、細菌の成長が急激に減少し、重度の栄養枯渇が細胞の分解につながる場所です。
2つの技術を使用して、培養中に存在する細菌の量を定量化し、成長曲線をプロットすることができます。これらの1つ目は、コロニー形成単位(CFC)を介して行う。CFCを得るためには、9つの希釈の1〜10シリーズが定期的な時点で行われる。これらの希釈の第1は、この例では陰性のもので、9mLのPBSおよび1mLの細菌培養物を含む。1:10希釈係数をもたらす。次いで、この溶液の1mLが次のチューブに転移し、負の2つ、1:100希釈係数をもたらす。このプロセスは、最後のチューブ、負の9を通して継続し、最終的な希釈係数は11億です。この後、各希釈の100マイクロリットルがめっきされる。その後、プレートをインキュベートし、クローンコロニーをカウントします。30 ~ 300 コロニーの間に成長する特定の時間ポイントの希釈プレートは、その時点のミリリットルあたりの CCF を計算するために使用されます。
細菌濃度を測定する第2の一般的な方法は、光学密度です。培養の光学密度は、分光光度計を用いて、メディアブランクに関連して即座に測定することができる。通常、600ナノメートルの波長(OD600とも呼ばれる)は、細胞密度が増加するにつれて増加するこれらの測定に使用されます。光学密度はCFCよりも精度が低いが、瞬時に得ることができ、比較的少ない試薬を必要とするので便利です。両方の技術を一緒に使用して、培養の細菌細胞数をより正確に近似する標準曲線を作成できます。このビデオでは、大腸菌の時立シリアル希釈からCFCとOD600測定を得る方法を学びます。次に、CFUとOD600測定値を用いた2つの成長曲線をそれぞれ、標準曲線で関連する前にプロットする。
細菌を使用する場合は、ラボコートや手袋などの適切な個人用保護具を使用し、適切な無菌技術を観察することが重要です。
この後、70%のエタノールでワークステーションを殺菌します。まず、LBスープとLB固体寒天媒体を別々の自動クレーブ可能なボトルに準備します。ボトルのキャップを部分的に閉じた後、35分間摂氏121度に設定されたオートクレーブでメディアを殺菌します。次に、寒天媒体を50°Cに設定した水浴で30分間冷やします。冷却したら、各ペトリ皿に20~25mLを注ぎます。この後、プレートを室温で24時間設定します。
後で液体細菌培養物を生成するために使用される単一のコロニー単離物を調剤するには、以前に凍結したストックと適切なストリークメッキ技術を使用して、LB寒天の単離のために大腸菌を縞させます。一晩で摂氏37度で料理をインキュベートします。この後、ストリークプレートから単一のコロニーを選択する前に、寒天上の炎殺菌接種ループを冷却します。15 mL試験管に4mLの液体媒体を接種する。その後、210 rpmで振りながら一晩37°Cで大腸菌を成長させます。
成長曲線で使用される細菌培養の1:1000体積を設定するには、まずオートクレーブ500 mLエルレンマイヤーフラスコを得る。次に、50 mLの血清ピペットを使用して、100mLの無菌培った培方をフラスコに移します。次に、9本の15ml試験管を1~9本と連続してラベルを付けます。これらの数値は、コロニー形成単位(CFU)の計算に使用される希釈係数に対応します。次に、各チューブに1X PBSの9 mLを追加します。この後、対応する時間ポイントと成長する希釈因子で準備された寒天プレートにラベルを付けます。大腸菌のこの例では、開始時点の後、時間ポイントは 1 時間に 1 回取得されます。予め調べて調製した一晩液体大腸菌培養を用いて、オートクレーブ500mLエルレンマイヤーフラスコに培養剤を1:1000体の培養量で接種する。メディアを旋回して、細菌を均等に分配します。
分光光度計をブランキングした後、糸くずのない拭き取りでキュベットをきれいにします。次に、培地に培養の1mLを分配し、分光光度計に入れ、その培養の光学密度を時点ゼロで得る。その後、210 rpmで振って37°Cで大腸菌を成長させます。点ゼロ後の各時点で、フラスコから別の1mLの細菌培養を撤回し、光学密度測定を繰り返す。光学密度の読み取り値が 1.0 より大きい場合は、900 マイクロリットルの新鮮な培養物で 100 マイクロリットルの細菌培養物を希釈し、もう一度光学密度を測定します。この値は、OD 600 測定に対して 10 を掛けることができます。
各時点のコロニー形成単位測定を得るために、各時点でフラスコからさらに1mLの細菌培養を引き出す。混合する負の1つの試験管と渦に細菌培養を分配する。次いで、まず負の1つのチューブから1mLを負の2本のチューブと渦に移して混合して希釈系列を行う。負の2本のチューブからマイナスの3本のチューブと渦に1 mLを移して混合します。このシリアル転送を続けて、すべての希釈管を負の9チューブに下ろします。希釈ごとに対応するラベル付きプレートに100マイクロリットルの細胞懸濁液を分配します。希釈のたびに、エタノールで細胞拡散機を殺菌し、ブンセンバーナーの炎を通し、寒天の表面を接種から離して冷却します。次に、セル拡散機を用いて、寒天板の表面が乾燥するまでセル懸濁液を広げる。プレートを摂氏37度で逆さまにインキュベートします。目に見えるコロニーが発生したら、各プレート上の細菌コロニーの数をカウントします。これらの値と、各時点で各プレートに関連する希釈係数を記録します。
OD 600 成長曲線を作成するには、すべてのデータ ポイントがテーブルに正しく入力されていることを確認したら、すべてのタイム ポイントと対応するデータを選択します。コロニー形成単位成長曲線プロットを生成するには、コロニー数が各時点で30~300個の細菌の範囲内に入った希釈板を選択する。コロニー数に希釈係数を掛け、次に 10 を掛けます。これは、100マイクロリットルの広がりは、1ミリリットル当たりのコロニー形成単位を計算する際に追加の1:10希釈と見なされるためです。この後、コロニー形成単位と時間を半対ログスケールでプロットします。
OD 600およびCFU測定で生成されたこれらのプロットは、それぞれ、大腸菌成長運動学に関する貴重な情報を提供することができます。光学密度とコロニー形成ユニットを関連させることができ、OD 600測定から1ミリリットル当たりのCCFを推定できるため、将来の実験で時間と材料を節約できます。
これを行うには、OD 600読み取り値が 1 以下の直線スケールで、オプティカル密度に対してコロニー形成単位をプロットします。0. この後、Y = MX + B 形式で線形回帰トレンドラインを生成し、M は勾配、B は y 切片です。データポイントを右クリックし、トレンドラインと線形を追加します。次に、チェックボックスをオンにしてグラフ上の方程式を表示し、グラフに R 二乗値を表示します。R 二乗値は、データが適合回帰直線にどの程度一致したかを統計的に測定したものです。この例では、最初の 6 つの時点点が x 軸に OD 600、Y 軸に 1 ミリリットルあたりの CFC でプロットされます。同じ成長条件を持つ将来の実験では、これらの傾き値と Y 切片値をこの方程式に接続して、OD 600 の読み取り値から CFC を推定できます。次に、コロニー形成単位成長曲線プロットを見てみましょう。指数フェーズでは、それらの間に最も急な勾配を持つ 2 つのポイントを識別します。倍率を計算するには、まず選択した時間ポイント間の時間の変化を計算します。次に、ここに示す方程式を使用して世代の変化を計算します。ここで、小文字bは、点数3における細菌数3と大文字Bが時点2における細菌数である。最後に、時間の変化を世代の変化で割ります。この例では、倍の時間は 0 です。26時間15分19秒異なる実験処理間で倍増時間を比較することで、特定の細菌種に対する最良の成長条件を特定することができます。したがって、最も低い倍増時間の治療は、試験された条件の中で最も最適である。
コロニー形成単位と光学密度のプロットは、成長運動を視覚化する2つの方法です。CFU/mLとOD600の関係を決定することにより、光学密度プロットは、時間の経過に伴うCFU/mLの推定値も提供します。最短の倍増時間をもたらす条件は、与えられた細菌の増殖に最適と考えられる。
成長曲線は、細菌の成長運動学と生理学を理解するために貴重です。それらは、細菌が可変増殖条件でどのように反応するかを決定し、特定の細菌に最適な増殖パラメータを定義することを可能にします。コロニー形成ユニットと光学密度プロットの両方には、ラグ相の持続時間、到達した最大細胞密度、および細菌の倍増時間の計算を可能にする貴重な情報が含まれています。成長曲線はまた、同じ成長条件下で異なる細菌間の比較を可能にします。さらに、光学密度は初期の接種を標準化する手段を提供し、他の実験の一貫性を高める。
成長曲線実験を設計する際に使用する方法を決定するには、考慮する必要があります。成長曲線を生成するための好ましい方法として、コロニー形成単位プロットは、バッチ培養における生存可能な細胞数をより正確に反映する。コロニー形成ユニットプロットはまた、光学密度測定を妨げる条件で細菌の増殖を測定することを可能にする。しかし、それは試薬の広範な使用を必要とし、より時間のかかるプロセスであり、手動で行う必要があります。光学密度プロットは精度が低く、コロニー形成単位の推定値のみを提供し、固有の細菌ごとに標準曲線を生成する必要があります。光学密度は、時間がはるかに少なく、多くの試薬を必要としないため、主に利便性のために使用されます。光学密度に最も魅力的なのは、分光光量インキュベーターが自動的に成長曲線を生成し、一度にテストできる培養条件の数を大幅に増加させ、常に培養に出席する必要性を排除できることです。
Bacteria reproduce through a process called cell division, which results in two identical daughter cells. If the growth conditions are favorable, bacterial populations will grow exponentially.
Bacterial growth curves plot the amount of bacteria in a culture as a function of time. A typical growth curve progresses through four stages: lag phase, exponential phase, stationary phase, and death phase. The lag phase is the time it takes for bacteria to reach a state where they can grow and divide quickly. After this, the bacteria transition to the exponential phase, characterized by rapid cell growth and division. The rate of exponential growth of the bacterial culture during this phase can be expressed as the doubling time, the fastest rate at which bacteria can reproduce under specific conditions. The stationary phase comes next, where bacterial cell growth plateaus and the growth and death rates even out due to environmental nutrient depletion. Finally, the bacteria enter the death phase. This is where bacterial growth declines sharply and severe nutrient depletion leads to the lysing of cells.
Two techniques can be used to quantify the amount of bacteria present in a culture and plot a growth curve. The first of these is via colony forming units, or CFUs. To obtain CFUs a one to ten series of nine dilutions is performed at regular time points. The first of these dilutions, negative one in this example, contains 9mL of PBS and 1mL of the bacterial culture. Resulting in a 1:10 dilution factor. Then, 1mL of this solution is transferred to the next tube, negative two, resulting in a 1:100 dilution factor. This process continues through the last tube, negative nine, resulting in a final dilution factor of 1:1 billion. After this, 100 microliters of each dilution is plated. The plates are then incubated and the clonal colonies are counted. The dilution plate for a given time point that grows between 30 and 300 colonies is used to calculate the CFUs per milliliter for that time point.
The second common method of measuring bacterial concentration is the optical density. The optical density of a culture can be measured instantly, in relation a media blank, with a spectrophotometer. Typically a wave length of 600 nanometers, also referred to as OD600, is used for these measurements, which increase as cell density increases. While optical density is less precise than CFUs, it is convenient because it can be obtained instantaneously and requires relatively few reagents. Both techniques can be used together to create a standard curve that more accurately approximates the bacterial cell count of a culture. In this video, you will learn how to obtain CFUs and OD600 measurements from timed serial dilutions of E. coli. Then, two growth curves using the CFU and OD600 measurements, respectively, will be plotted before being related by a standard curve.
When working with bacteria, it is important to use the appropriate personal protective equipment such as a lab coat and gloves and to observe proper aseptic technique.
After this, sterilize the work station with 70% ethanol. First, prepare the LB broth and LB solid agar media in separate autoclaveable bottles. After partially closing the caps of the bottles, sterilize the media in an autoclave set to 121 degrees Celsius for 35 minutes. Next, allow the agar media to cool in a water bath set to 50 degrees Celsius for 30 minutes. Once cooled, pour 20 to 25 mL into each Petri dish. After this, allow the plates to set for 24 hours at room temperature.
To prepare the single colony isolates that will later be used to produce a liquid bacterial culture, use previously frozen stock and proper streak plating technique to streak E. coli for isolation on LB agar. Incubate the dish at 37 degree Celsius overnight. After this, cool a flame sterilized inoculation loop on the agar before selecting a single colony from the streaked plate. Inoculate 4 mL of liquid media in a 15 mL test tube. Then, grow the E. coli at 37 degrees Celsius overnight with shaking at 210 rpm.
To set up the 1:1000 volume of bacterial culture that will be used in the growth curve, first obtain an autoclaved 500 mL Erlenmeyer flask. Then, use a 50 mL serological pipette to transfer 100 mL of sterile media to the flask. Next, label nine 15 ml test tubes consecutively as one through nine. These numbers correspond to the dilution factor that will be used to calculate the colony forming unit, or CFU. Then, add 9 mL of 1X PBS to each tube. After this, label the prepared agar plates with the corresponding time points and dilution factors that will be grown. In this example with E. coli, after the starting time point, time points are taken once every hour. Using the previously prepared overnight liquid E. coli culture, inoculate the media in the autoclave 500 mL Erlenmeyer flask with 1:1000 volume of culture. Swirl the media to evenly distribute the bacteria.
After blanking a spectrophotometer, clean the cuvette with a lint-free wipe. Next, dispense 1 mL of the culture into the cuvette and place it into the spectrophotometer to obtain the optical density of the culture at time point zero. Then, grow the E. coli at 37 degrees Celsius with shaking at 210 rpm. At each time point after time point zero, withdraw another 1 mL of bacterial culture from the flask and repeat the optical density measurement. If the optical density reading is greater than 1.0, dilute 100 microliters of bacterial culture with 900 microliters of fresh media and then measure the optical density once more. This value can be multiplied by 10 for the OD 600 measurement.
To obtain the colony forming unit measurement for each time point, withdraw an additional 1 mL of bacterial culture from the flask at each time point. Dispense the bacterial culture into the negative one test tube and vortex to mix. Then, perform the dilution series by first transferring 1 mL from the negative one tube into the negative two tube and vortex to mix. Transfer 1 mL from the negative two tube into the negative three tube and vortex to mix. Continue this serial transfer down all the dilution tubes to the negative nine tube. Dispense 100 microliters of cell suspension onto the correspondingly labeled plate for each dilution. For every dilution, sterilize a cell spreader in ethanol, pass it through a Bunsen burner flame, and cool it by touching the surface of the agar away from the inoculate. Then, use the cell spreader to spread the cell suspension until the surface of the agar plate becomes dry. Incubate the plates upside down at 37 degrees Celsius. Once visible colonies arise, count the number of bacterial colonies on each plate. Record these values and their associated dilution factors for each plate at each time point.
To create an OD 600 growth curve, after ensuring all the data points are entered correctly into a table, select all of the time points and their corresponding data. To generate a colony forming unit growth curve plot, choose the dilution plate where the colony counts fell within the range 30 to 300 bacteria for each time point. Multiply the colony count number by the dilution factor, and then by ten. This is because the 100 microliters spread is considered an additional 1:10 dilution when calculating colony forming units per milliliter. After this, plot the colony forming units versus time on a semi-log scale.
These plots produced with OD 600 and CFU measurements, respectively, can provide valuable information on E. coli growth kinetics. The optical density and colony forming units can be related, so that CFUs per milliliter can be estimated from OD 600 measurements, saving time and materials in future experiments.
To do this, plot the colony forming units against the optical density on a linear scale for OD 600 readings less than or equal to 1. 0. After this, generate a linear regression trend line in Y = MX + B format, where M is the slope and B is the y-intercept. Right click on the data points and select add trend line and linear. Then, check the box to display the equation on the chart and display the R squared value on the chart. The R squared value is the statistical measurement of how closely the data matched the fitted regression line. In this example, the first 6 time points are plotted with OD 600 on the x axis and CFUs per milliliter on the y axis. In future experiments with the same growth conditions, these slope and y-intercept values can be plugged into this equation to estimate CFUs from OD 600 readings. Next, look at the colony forming unit growth curve plot. During the exponential phase, identify two time points with the steepest slope between them. To calculate the doubling time, first calculate the change in time between the selected time points. Then, calculate the change in generations using the equation shown here. Here, lower case b is the number of bacteria at time point three and upper case B is the number of bacteria at time point two. Finally, divide the change in time by the change in generations. In this example, the doubling time is 0. 26 hours or 15 minutes and 19 seconds. Comparing doubling times across different experimental treatment allows us to identify the best growth conditions for a certain bacterial species. Therefore, the treatment with the lowest doubling time will be most optimal of the conditions tested.
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