Wiele patogenów bakteryjnych przystosowało uogólnione strategie, aby wykorzystać komórki gospodarza do przetrwania i replikacji w przedziale wewnątrzkomórkowym. W wielu przypadkach mechanizmy chorobotwórcze są podobne między komórkami pierwotniaków i metazoanów. Jednak te dwa mikrośrodowiska są bardzo różne i mogą powodować zróżnicowaną ekspresję czynników wirulencji1-4. Bakteria Legionella pneumophila jest powszechnie związana ze środowiskiem słodkowodnym na całym świecie5. Co ważne, L. pneumophila hodowana w komórkach pierwotniaków przed zakażeniem ludzkich monocytów zyskuje przewagę patogenną, co sugeruje, że globalne profile ekspresji genów bakterii opuszczającej komórkę pierwotniaka są inne niż w organizmie hodowanym in vitro 6-8. W naturze ameby słodkowodne zapewniają bogate w składniki odżywcze ograniczenia do szybkiej amplifikacji atakującej bakterii. Nabycie L. pneumophila przez człowieka najczęściej przypisuje się wdychaniu zanieczyszczonych kropelek wody, które zawierają bakterię. Jest prawdopodobne, że te kropelki zawierają bakterie związane z komórkami pierwotniaków; gdzie komórki pierwotniaków są bardziej odporne na konwencjonalne praktyki uzdatniania wody9,10. Zakażenie makrofagów pęcherzyków płucnych przebiega w sposób niemal identyczny jak wewnątrzkomórkowy cykl życiowy bakterii w komórkach gospodarza pierwotniaków11-13.
Aby przetrwać i replikować się w komórkach eukariotycznych, L. pneumophila używa wyspecjalizowanego systemu wydzielania typu IVb, zwanego Dot/Icm, aby dostarczyć prawie 300 białek 'efektorowych' do cytozolu komórki gospodarza14-16. Te białka efektorowe wspólnie działają w celu obalenia procesów komórkowych w celu wytworzenia przedziału permisywnego replikacji dla bakterii17,18. Delecje w którymkolwiek z 26 genów, które składają się na transporter Dot/ICM, skutkują wadliwymi szczepami do namnażania wewnątrzkomórkowego19-23. Historycznie rzecz biorąc, delecja poszczególnych genów kodujących efektory rzadko powodowała osłabienie szczepów do wzrostu wewnątrzkomórkowego. Zjawisko to przypisuje się kilku hipotezom, w tym nadmiarowym funkcjom i paralogicznym kopiom efektorów.
Niektóre czynniki wirulencji są wyrażane tylko w kontekście wzrostu wewnątrzkomórkowego związanego z komórką gospodarza24. Zracjonalizowaliśmy, że jeśli dany efektor był wyrażany tylko w kontekście infekcji pierwotniakami, to wkład efektora nie mógł być porównany ze szczepem typu dzikiego, gdy oba były hodowane in vitro. L. pneumophila przechodzi z fazy replikacyjnej do transmisyjnej, gdy wchodzi w fazę stacjonarną w hodowli25. Fenotyp przełączania faz reprezentuje wyczerpanie składników odżywczych napotkane podczas wzrostu wewnątrzkomórkowego i jest zilustrowany przez składanie wici dla ruchliwości26. Ponieważ L. pneumophila jest bardziej inwazyjna i zjadliwa, gdy jest zbierana z komórek pierwotniaków, staraliśmy się opracować test, który wierniej reprezentowałby stan patogenny bakterii w momencie napotkania makrofagów gospodarza.
W tym celu opracowaliśmy wszechstronny test na pierwotniaki, który może dostosować się do każdego odpowiedniego gospodarza zarówno dla pierwszego (komórka początkowa), jak i drugiego (komórka docelowa) infekcji. Proces infekcji jest możliwy do opanowania dzięki zastosowaniu bakterii wykazujących stabilną ekspresję białka zielonej fluorescencji (GFP). Model infekcji pierwotniaka Acanthamoeba castellanii jest zgodny z metodologią szeroko stosowaną w tej dziedzinie27. Na etapie kondycjonowania szczepy L. pneumophila są hodowane in vitro do fazy stacjonarnej w płynnych pożywkach w celu wytworzenia oznakowanych bakterii "transmisyjnych" (ryc. 1A). Bakterie są następnie wykorzystywane do infekowania monowarstw A. castellanii przez 18 godzin, aby osiągnąć późny etap wewnątrzkomórkowego cyklu życia. Duże wakuole zawierające bakterie można uwidocznić w tym punkcie czasowym za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej (ryc. 1A). Komórki pierwotniaków są następnie poddawane lizie, a bakterie odzyskane z lizatu są mierzone pod kątem emisji przy długości fali 512 nm za pomocą czytnika płytek fluorescencyjnych. Fluorescencja jest skorelowana z gęstością optyczną w celu obliczenia wielokrotności infekcji (MOI) dla infekcji komórek docelowych (ryc. 1, *krzywa korelacji). Po inwazji (T0) i 18 godzinach po inwazji (T18) komórki docelowe są oznaczane ilościowo pod kątem fluorescencji, reprezentując bakterie wewnątrzkomórkowe. Fluorescencję można monitorować za pomocą mikroskopii i cytometrii przepływowej, a liczbę żywotnych można mierzyć za pomocą posiewu kolonii. Testowi wstępnemu zawsze towarzyszą zakażenia L. pneumophila typu dzikiego i szczepem wadliwym w systemie wydzielania Dot / Icm typu IV (ΔdotA) (Figura 1A). Co ważne, zapewnia to wewnętrzną kontrolę nad bezpośrednimi porównaniami między szczepami typu dzikiego a dowolnymi izogenicznymi zmutowanymi szczepami stosowanymi w procesie infekcji. Włączenie awirulentnego szczepuΔ dotA na etapie kondycjonowania wyznacza próg obserwacji osłabionych fenotypów wzrostu związanych z izogenicznymi zmutowanymi szczepami, które są hodowane in vitro.