ソース: ティルデ・アンダーソン1, ロルフ・ルード1
1臨床科学ルンド, 感染医学の部門, ルンド大学生物医学センター, 221 00 ルンド, スウェーデン
バクテリオファージまたは単にファージと呼ばれる原核生物に感染するウイルスは、20世紀初頭にTwort(1)とデレル(2)によって独立して同定された。ファージは、その治療価値(3)とヒト(4)、ならびにグローバルな生態系(5)への影響について広く認識されています。現在の懸念は、感染症の治療における現代の抗生物質の代替としてファージの使用に新たな関心を高めています(6)。本質的にすべてのファージ研究は、ウイルスを精製し、ウイルス力を定量する能力に依存しています, また、ウイルス力中剤として知られています.最初に1952年に記載された、これはプラークアッセイ(7)の目的であった。数十年および複数の技術の進歩後、プラークアッセイは、ウイルス力付き(8)の決定のための最も信頼性の高い方法の一つである。
バクテリオファージは、宿主細胞に遺伝物質を注入し、新しいファージ粒子の製造のための機械を乗っ取り、最終的に細胞リシスを通じて多数の子孫を放出させることによって、生き残る。その微小な大きさのために、バクテリオファージは、単に光顕微鏡を使用して観察することはできません。そのため、走査型電子顕微鏡検査が必要です(図1)。さらに、ファージは、餌食に宿主細胞を必要とするので、細菌のような栄養寒天プレート上で栽培することはできません。
図1:バクテリオファージの形態は、ここで大腸菌ファージによって例示され、走査型電子顕微鏡を用いて研究することができる。ほとんどのバクテリオファージは、カウドビレア(尾のバクテリオファージ)に属しています。この特定のファージは、非常に短い尾構造とイコサヘドラルヘッドを有し、ポドウイルスのファミリーに置きます。
プラークアッセイ(図2)は、宿主細胞の組み込みに基づいており、優先的に対相増殖において、培地に。これは、ウイルスの成長を維持することができる細菌の密な、濁った層を作成します。単離されたファージは、その後感染し、内で複製し、1つの細胞をlyseすることができます。各細胞がlysed細胞で、複数の隣接する細胞が直ちに感染する。いくつかのサイクルで、クリアゾーン(プラーク)は、そうでなければ濁板(図2B/図3A)で観察することができ、最初に単一のバクテリオファージ粒子であったものの存在を示す。試料の体積当たりのプラーク形成単位数(すなわちPFU/mL)は、生成されるプラークの数から決定することができる。
図2:プラーク形成単位(PFU)の試験は、サンプル中のバクテリオファージの数を決定するための一般的な方法である。(A)滅菌ペトリ皿のベースは、適切な固体栄養培地で覆われ、続いて、ソフト培地、感受性宿主細胞および元のバクテリオファージサンプルの希釈が混合される。ファージ懸濁液は、場合によっては、既に固化した柔らかい寒天の表面全体に均等に広がる可能性があることに注意してください。(B)宿主細菌の増殖は、上寒天層に細胞の芝生を形成する。バクテリオファージ複製は、宿主細胞リシスによって引き起こされるクリアゾーン、またはプラークを生成します。
図3:PFU試験の結果は、バクテリオファージによって生成された複数のプラークを示す。感受性宿主細胞のリシスにより、プラークは(A)完全クリアランス、または(B)耐性細菌の生成によって引き起こされる部分的な再増殖(または場合には、または温帯ファージによって、リソジェニックサイクル)。
特定の温帯ファージは、以前に記載された溶解性成長に加えて、リソゲン性のライフサイクルと呼ばれるものを採用することができます。リソジェニーでは、ウイルスは、宿主細胞(9)のゲノムにその遺伝物質を取り込むことを通じて潜伏状態を仮定し、多くの場合、さらなるファージ感染に対する耐性を与える。これは時々プラークのわずかな曇りを通して明らかにされる(図3B)。しかし、以前のファージ感染とは無関係にファージに対する耐性を進化させた細菌の再増殖のためにプラークがぼやけて見えることも注目に値する。
ウイルスは、限られた範囲の宿主細菌にのみ付着または吸着することができる(10)。宿主範囲は、CRISPR-Casシステム(11)のような細胞内抗ウイルス戦略によってさらに制限される。細菌サブグループによって表示される特定のファージに対する耐性/感受性は、歴史的に異なるファージタイプに細菌株を分類するために使用されてきた(図4)。この方法の有効性は、新しいシーケンシング技術によって上回っていますが、ファージタイピングは、例えば、臨床使用のためのファージカクテルの設計を容易にする、細菌とファージの相互作用に関する貴重な情報を提供することができます.
図4:異なる細菌株のファージ感受性。キューチバクテリウム・ニキビ株(A)AD27および(B)AD35を有する柔らかい寒天板を、21種類のC.にきび細菌食症で発見した。唯一のファージ11は、株AD35がすべてのファージに対する感受性を示しながら、AD27に感染し、殺すことができました。ファージタイピングと呼なこの技術は、ファージ感受性に基づいて細菌種と株を異なるサブグループに分割するために使用することができる。
1. セットアップ
2. プロトコル
3. データ分析と結果
ファルジとも呼ばれるバクテリオファージは、細菌に特異的に感染するウイルスであり、プラークアッセイと呼ばれるツールを使用してその存在を確認し、定量化することができます。バクテリオファージは、まず細菌細胞壁に付着し、その遺伝物質を注入することによって、その感受性宿主に感染する。その後、細胞の生合成機械を乗っ取ってDNAを複製し、多数の子孫ファージ粒子を産生し、宿主細胞を分解して死傷させる。
この溶解活性は、プラークアッセイまたは二重寒天層アッセイとして知られている広く使用されているファージ列挙技術の基礎である。ここで、バクテリオファージミックスは、まず低濃度寒天を含む溶融栄養スープで調製される。ミックスで使用されるすべての細菌は生きていて、積極的にその成長のログ段階で分割する必要があり、細菌の大部分が生存し、プラークの周りに密な芝生を形成できることを保証します。次に、この溶融細菌ファージ寒天ミックスは、ペトリ皿上で既に固化されている、より固体、濃縮寒天栄養培地の上に広がります。室温でのインキュベーションでは、低濃度の寒天菌のスープも固化し、柔らかい寒天のオーバーレイを形成します。
ここでは、細菌細胞は、底層から追加の栄養素を導き出ることができ、細菌のコンフルエント芝生を生成するために急速に増殖する必要があります。しかし、ファージ粒子も軟層に存在するにつれて、これらは細菌内で遺伝物質に感染して複製し、細胞リシスに至り、複数の子孫を放出する。これらのファージ子孫は、細菌ファージ層の半固体状態がより遠くに位置する宿主細胞にその動きを制限するように、隣接する細胞に感染する。感染とリシスのこのサイクルは、複数のラウンドにわたって継続し、局所的な領域で多数の細菌を殺します。破壊される隣接細胞の効果は、肉眼で見ることができるプラークと呼ばれる単一の円形クリアゾーンを生成し、効果的にファージの細菌の溶解活性を増幅し、その列挙を可能にすることです。
ペトリ皿上のプラークの数は、プラーク形成単位、またはPfUと呼ばれ、かつ、初期バクテリオファージ濃度を十分に希釈した場合、元の試料中の感染性ファージ粒子の数に直接対応する必要があります。この技術は、プラーク形態の特性形成、ファージ型の同定に役立つ、またはファージ変異体を単離するためにも使用することができる。このラボでは、大腸菌のT7ファージを例に、ファージを列挙するためのプラークアッセイを実行する方法を学びます。
まず、宿主細菌細胞およびバクテリオファージの培養に適した培地を同定する。ここでリソジェニーブロス、またはLB培地は、大腸菌およびT7ファージを培養するために用いた。次に、3本のきれいなガラス瓶を取り、メディア、名前、次にLB-Broth、2つ目はLB-Bottom寒天、3本目はLB-Top寒天としてラベルを付けます。さて、あらかじめ配合されたLB粉末を4グラムずつ計量し、1セットの計量乾燥培ったメディアを各ボトルに移します。最初のボトルに200ミリリットルの水を追加します。磁気攪拌バーを使用して内容物を混ぜます。
次に、pHメーターと一定撹拌を用いて、水酸化ナトリウムまたは塩酸を添加することにより、最終的なpHを7.4にする。残りの2本のボトルについても、水の添加とpH調整を繰り返します。今、寒天粉末の3グラムの重量を量り、1.5%の底寒天を作るために2番目のボトルにそれを追加します。最後に、重量を量る 1.寒天の2グラムと.6%LBトップ寒天を作るために3番目のボトルにそれを追加します。ボトル1のスープの状態は寒天の添加を必要としません。ボトルを半き締めし、その後、20分間摂氏121度でオートクレーブによってメディアを殺菌します。完了したら、オートクレーブからメディアボトルを取り外し、すぐにボトルキャップをひねり、汚染を防ぐために完全に閉じます。LB-ブロスとLB-トップ寒天メディアをベンチに置いて、後で使用してください。LBボトム寒天を置き、約45°Cにあらかじめ設定された水浴で冷却します。
LB-Bottom 寒天が約45°Cに達したら、作業台に移します。次に、70%のエテノールを使用してワークスペースを殺菌します。次に、溶融底寒天に無菌1モル塩化カルシウムの450マイクロリットルを加え、最終的な濃度を2.25ミリモルにする。ボトルをそっと旋回して混ぜます。その後、7つのきれいなペトリ皿を設定します。下部の各料理に、メディア名と準備日にラベルを付けます。その後、底寒天の15ミリリットルを7つのペトリ皿のそれぞれに注ぎます。プレートを室温で数時間または一晩設定できるようにします。一度設定すると、培養プレートは、結露を最小限に抑えるために、必要に応じて数日間、4°Cで保存することができます。ペトリ皿を摂氏4度の冷蔵庫から37°Cのインキュベーターに1時間前に移します。
アッセイが事前に形成される前日には、大腸菌を培養する必要があります。ここで、大腸菌培養の10マイクロリットルをLB-ブロスの10ミリリットルに接種した。160 RPMで摂氏37度に設定された揺さぶるインキュベーターで一晩成長する細菌を置きます。次いで、アッセイの日に、インキュベーターから細菌培養を除去する。一晩培養の0.5ミリリットルで新鮮なLBスープの新鮮な10ミリリットルをシード。これらの細胞を160 RPMで摂氏37度に設定した揺れインキュベーターに成長させるために置きます。次に、分光光度計を使用して、このカルチャが対数相の成長に達した場合、0.5 ~ 0.7 の光学密度で示されます。ODがこのレベルに達したら、細胞培養をベンチに移すことによってインキュベーションを停止する。ファージオーバーレイアッセイに使用する準備が整いました。
ファージ価量は、異なるファージタイプとサンプルによって指数関数的に変化する可能性があります。したがって、それらを効果的に数えるために、彼らはファージ濃度の広い範囲を生成するために希釈する必要があります。アッセイの日に、10倍の希釈技術に従って、10分の1から100万分の1の濃度に及ぶ一連のファージ希釈を生成する。統計的に有意で正確なデータを取得するには、三逆でシリアル希釈を実行します。
次に、固化したLB-top寒天を電子レンジで溶かす。その後、1時間45°Cにあらかじめ設定された水浴に入れます。1時間後、インキュベーターから下部寒天層を含むペトリ皿を収集します。ファージ濃度とアッセイ日付でプレートにラベルを付けます。次に、7本のクリーン試験管を設置する。各試験管にシリアルファージ希釈番号をラベル付けし、1つをコントロールとして指定します。
LBトップ寒天が摂氏45度に達したら、作業ベンチに移します。さて、200ミリリットル寒天に塩化モルカルシウム1本の450マイクロリットルを加え、最終的な濃度を2.25ミリモルにします。ボトルをそっと旋回して混ぜます。次に、LBトップ寒天の35ミリリットルと無菌円錐管に細菌懸濁液の4ミリリットルを追加します。細胞を均等に分配するために穏やかに旋回するが、発泡を防ぐために揺れを避ける。
さて、この細菌のアリコート5ミリリットル- トップ寒天ミックス7つの試験管のそれぞれに。次に、連続的に希釈されたバクテリオファージサンプルおよびコントロールメディアの100マイクロリットルを、バクテリオファージを含む単に培地であるべきである、丁重に標識された試験管に移す。適切な混合を確実にするために、混合物を穏やかに旋回します。5ミリリットルのバクテリオファージミックスをそれぞれのペトリプレートにゆっくりと移します。ペトリプレートをそっと旋回して、表面全体に均等にミックスを広げます。
すべてのペトリプレートをミックスで重ねたら、室温で15分間インキュベートしてトップ層の固化を可能にする。これらのステップが完了した後、ファージ希釈の残りの2セットを使用して、ペトリ皿の第2と第3セットのプロセスを繰り返します。各皿をパラフィルムで密封し、室温で15分間インキュベートします。培養プレートを適切な温度で24時間、またはプラークが発達するまで逆さまに置きます。ここで、プレートを1日37°Cのインキュベーターに入れ、大腸菌及びT7ファージに対する刺激的な成長条件を有する。
プラークは、細菌種、インキュベーション条件、および培地の選択に応じて、インキュベーションの1〜5日後に現れる。ここでは、37°Cのインキュベーションの1日後にプラークが見えました。まず、マークされたコントロールのプレートをチェックし、ウイルス汚染を示すので、これらのプレートにプラークが形成されていないことを確認します。元のサンプルのファージ係数を決定するには、最初に最も希釈されたファージサンプルを含むプレートから始め、蓋を取り外さずにプラークを数え、既にカウントされているものを示すようにマークします。各セットの各プレートのカウントを繰り返します。一部のプレートには、数えるプラークが多すぎるか少なすぎる場合があります。理想的なプラーク数として 10 ~ 150 とします。
次に、異なる希釈および反復のプラーク番号値を一覧表示するテーブルを生成します。次に、理想的な数のプラーク数を含む希釈プレートの平均プラーク数値を計算する。この例では、これらは、10からマイナス3とマイナス4希釈プレートに形成されたプラークの平均数であった。さて、得られた平均プラーク値をそれぞれのファージ希釈因子で割ることによってファージ希釈係数を調整する。ここで、10からマイナス3及び10からマイナス4希釈プレートに形成されたプラークの平均数を、それぞれの希釈因子で割り、プラーク形成単位(PFU)の数を、ファージ混合物の100マイクロリットルで得た。値を1ミリリットル当たりPFUに変換するには、バクテリオファージオーバーレイ調製工程中に100マイクロリットルのファージ希釈ミックスのみが使用されたため、生成された値に10を掛け、10の追加希釈係数を生成しました。最後に、異なる希釈プレートから得られた値の平均を計算します。これにより、1 ミリリットルあたりの PFU の平均数が増加します。PFUの数は、元のサンプル中の感染性ファージ粒子の数に相当する。
複数の技術の進歩にもかかわらず、プラークアッセイはウイルス力確定のためのゴールドスタンダード(PFUとして)であり、純粋なバクテリオファージ集団の単離に不可欠です。感受性の高い宿主細胞は、2層寒天板のトップコートで培養され、ウイルス複製を可能にする均質なベッドを形成する。溶解ライフサイクル中の単離されたバクテリオファージが細胞に感染し、細胞内で複製し、最終的にそれを溶解する最初のイベントは、観察するには小さすぎます。しかし、放出されたビリオンは隣接する細胞に感染し、その後、単一のPFUの存在を示すクリアリングゾーン、またはプラークを生み出す。
Bacteriophages, also called phages, are viruses that specifically infect bacteria and we can confirm their presence and quantify them using a tool called the plaque assay. Bacteriophages infect their susceptible hosts by first attaching to the bacterial cell wall and injecting their genetic material. Then, they hijack the cell’s biosynthetic machinery to replicate their DNA and produce numerous progeny phage particles, which they then release by lysing and killing the host cell.
This lytic activity is the basis of a widely used phage enumerating technique known as the plaque assay or double agar layer assay. Here, a bacteriophage mix is first prepared in a molten nutrient broth containing low concentration agar. All bacteria used in the mix should be alive and actively dividing in the log phase of their growth, which will ensure that a large percentage of the bacteria are viable and able to form a dense lawn around the plaques. Next, this molten bacterial-phage agar mix is spread over a more solid, concentrated agar nutrient medium which is already solidified on a Petri dish. On incubation at room temperature, the low concentration agar-phage-bacteria broth also solidifies to form a soft agar overlay.
Here, the bacterial cells can derive additional nutrients from the bottom layer and should rapidly multiply to produce a confluent lawn of bacteria. However, as phage particles are also present in the soft layer, these will infect and replicate their genetic material within the bacteria, culminating in cell lysis, which releases multiple progeny. These phage progeny then infect the neighboring cells, as the semi-solid state of the bacteria-phage layer restricts their movement to more distantly located host cells. This cycle of infection and lysis continues over multiple rounds, killing a large number of bacteria in a localized area. The effect of the neighboring cells being destroyed, is to produce a single circular clear zone, called a plaque, which can be seen by the naked eye, effectively amplifying the bacteria lytic activity of the phage and enabling their enumeration.
The number of plaques on a Petri dish are referred to as Plaque-Forming Units, or PFUs, and, providing the initial bacteriophage concentration was sufficiently dilute, should directly correspond to the number of infective phage particles in the original sample. This technique can also be used for characterization of plaque morphology, to aid in identification of phage types, or to isolate phage mutants. In this lab, you will learn how to perform the plaque assay for enumerating phages, using the T7 phage of E. coli as an example.
First, identify a suitable medium for the culturing of the host bacterial cells and the bacteriophage. Here lysogeny broth, or LB medium, was used to culture E. coli and the T7 phage. Next, take three clean glass bottles and label them with media, name, and then the first as LB-Broth, the second as LB-Bottom Agar, and the third as LB-Top Agar. Now, weigh out four grams of pre-formulated LB powder in three sets and then transfer one set of weighed dried media into each bottle. Add 200 milliliters of water to the first bottle. Mix the contents using a magnetic stir bar.
Then, using a pH meter and constant stirring, bring the final pH to 7.4 through the addition of sodium hydroxide or hydrochloric acid. Repeat the water addition and pH adjustment for the other two remaining bottles, as well. Now, weigh out three grams of agar powder and add it to the second bottle to make a 1.5 % bottom agar. Finally, weigh 1. 2 grams of agar and add it to the third bottle to make the .6 % LB top agar. The broth condition in bottle one does not need an agar addition. Cap the bottle semi-tightly and then, sterilize the media by autoclaving at 121 degrees Celsius for 20 minutes. Once complete, remove the media bottles from the autoclave and immediately twist the bottle caps to close them fully to prevent contamination. Keep the LB-Broth and LB-Top Agar media on the bench for later use. Place the LB-Bottom Agar to cool in a water bath that is preset to approximately 45 degrees Celsius.
When the LB-Bottom agar reaches approximately 45 degrees Celsius, transfer it to the work bench. Next, sterilize the workspace using 70 % ethenol. Next, add 450 microliters of sterile one molar calcium chloride to the molten bottom agar to make a final concentration of 2.25 millimolar. Gently swirl the bottle to mix. Then, set out seven clean Petri dishes. Label each dish on the bottom with the media name and preparation date. Then, pour 15 milliliters of the bottom agar into each of the seven Petri dishes. Allow the plates to set for a few hours or overnight at room temperature. Once set, the culture plates can be stored at four degrees Celsius for several days if needed, upside down to minimize condensation. Transfer the Petri dishes from the four degrees Celsius refrigerator to a 37 degrees Celsius incubator one hour before the assay.
The day before the assay is to be preformed, the E. coli should be cultured. Here, 10 microliters of E. coli culture was inoculated into 10 milliliters of LB-Broth. Place the bacteria to grow overnight in a shaking incubator set to 37 degrees Celsius at 160 RPM. Then, on the day of the assay, remove the bacterial culture from the incubator. Seed a fresh 10 milliliters of fresh LB broth with 0.5 milliliters of the overnight culture. Place these cells to grow into a shaking incubator set to 37 degrees Celsius at 160 RPM. Next, use a spectrophotometer to check when this culture reaches log phase growth, indicated by an optical density of 0.5 to 0.7. Once the OD reaches this level, stop the incubation by transferring the cell culture to the bench. They are now ready to be used for phage overlay assay.
Phage titers can vary exponentially across different phage types and samples. So in order to count them effectively, they should be diluted to generate a wide range of phage concentrations. On the day of the assay, generate a series of phage dilutions ranging from one tenth to one millionth concentrations, following a 10-fold dilution technique. To obtain statistically significant and accurate data, perform the serial dilution in triplicate.
Next, melt the solidified LB-top agar using a microwave. Then, place it in a water bath that is preset at 45 degrees Celsius for one hour. After one hour, collect the Petri dishes containing the bottom agar layer from the incubator. Label the plates with phage concentration and assay date. Then, set out seven clean test tubes. Label each test tube with the serial phage dilution number and designate one as control.
When the LB-top agar reaches 45 degrees Celsius, transfer it to the working bench. Now, add 450 microliters of one molar calcium chloride to the 200 milliliter agar to make a final concentration of 2.25 millimolar. Gently swirl the bottle to mix. Next, add 35 milliliters of LB-top agar and four milliliters of bacterial suspension to a sterile conical tube. Gently swirl to evenly distribute the cells but avoid shaking to prevent foaming.
Now, aliquot five milliliters of this bacteria- top agar mix to each of the seven test tubes. Then, transfer 100 microliters of the serially diluted bacteriophage samples and control media, which should be simply media with no bacteriophage, to the respectfully labeled test tubes. Swirl the mixture gently to ensure proper mixing. Gently transfer five milliliters of bacteriophage mix onto the respective Petri plate. Evenly spread the mix throughout the whole surface by gently swirling the Petri plate.
Once all of the Petri plates are layered with the mix, allow solidification of the top layer by incubating at room temperature for 15 minutes. After completion of these steps, repeat the process for the second and then the third sets of the Petri dishes using the remaining two sets of phage dilutions. Seal each dish with parafilm and incubate at room temperature for 15 minutes. Place the culture plate upside down at a suitable temperature for 24 hours or until plaques develop. Here, plates were placed in a 37 degrees Celsius incubator for one day, a stimulating growth condition for E. coli and the T7 phage.
Plaques will appear after one to five days of incubation, depending on the bacterial species, incubation conditions, and the choice of medium. Here, plaques were visible after one day of incubation at 37 degrees Celsius. Begin by checking the plates marked control and ensure that no plaques were formed in these plates, as this would indicate viral contamination. To determine the phage titer in the original sample, start with the plates containing the most diluted phage sample first and count the plaques without removing the lids, marking them to indicate which ones have already been counted. Repeat the counting for each plate in every set. Some plates might have too many or too few plaques to be counted. Consider 10 to 150 as an ideal plaque count.
Next, generate a table listing the plaque number values for the different dilutions and replicates. Then, calculate the mean plaque number values for the dilution plates that contained the ideal number of plaque counts. In this example, these were the average number of plaques formed in the 10 to the minus three and 10 to the minus four dilution plates. Now, adjust for phage dilution factor by dividing the obtained mean plaque values by the respective phage dilution factors. Here, the average number of plaques formed to the 10 to the minus three and 10 to the minus four dilution plates, were divided by their respective dilution factors to obtain the number of plaque forming units, or PFUs, in 100 microliters of phage mixture. To convert the value to PFU per milliliter, multiply the generated values by 10, as only 100 microliters of phage dilution mix was used during the bacteriophage overlay preparation step, producing an additional dilution factor of 10. Finally, calculate the average of the values obtained from the different dilution plates. This will give the average number of PFUs per milliliter. The number of PFUs corresponds to the number of infective phage particles in the original sample.
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