Metoda wyodrębniania endospor bakteryjnych ze złożonych społeczności mikrobiologicznych została opracowana w celu przeprowadzenia dostosowanych kultur lub badań molekularnych tej grupy bakterii.
Artykuł metodologiczny
Metoda wyodrębniania endospor bakteryjnych ze złożonych społeczności mikrobiologicznych została opracowana w celu przeprowadzenia dostosowanych kultur lub badań molekularnych tej grupy bakterii.
Tworzenie endospor to strategia przetrwania znaleziona wśród niektórych bakterii z typu Firmicutes. Podczas tworzenia przetrwalników bakterie te wchodzą w morfofizjologiczny stan spoczynku, który zwiększa przeżywalność w niekorzystnych warunkach środowiskowych. Mimo że tworzące endospory Firmicutes są jedną z najczęściej wzbogacanych i izolowanych grup bakteryjnych w badaniach hodowlanych, często są one nieobecne w badaniach różnorodności opartych na metodach molekularnych. Odporność rdzenia zarodnika jest uważana za jeden z czynników ograniczających odzyskiwanie DNA z endospor. Opracowaliśmy metodę, która wykorzystuje wyższą odporność endospor do oddzielenia ich od innych komórek w złożonej społeczności mikrobiologicznej przy użyciu metod lizy fizycznej, enzymatycznej i chemicznej. Uzyskany w ten sposób preparat zawierający wyłącznie przetrwalniki może być wykorzystany do ponownej hodowli lub do przeprowadzenia dalszych analiz, takich jak dostosowana ekstrakcja DNA zoptymalizowana pod kątem przetrwalników i późniejsze sekwencjonowanie DNA. Metoda ta, zastosowana do próbek osadów, pozwoliła na wzbogacenie endospor i po sekwencjonowaniu ujawniła dużą różnorodność substancji tworzących przetrwalniki w osadach jezior słodkowodnych. Spodziewamy się, że zastosowanie tej metody do innych próbek przyniesie podobny wynik.
Celem tej pracy jest dostarczenie protokołu do oddzielania endospor bakteryjnych od wegetatywnych komórek bakteryjnych w próbkach środowiskowych. Tworzenie się endospor bakteryjnych jest strategią przetrwania, zwykle wywoływaną przez głód, występującą w wielu grupach bakterii należących do gromady Firmicutes1. Bakterie tworzące endospory są dobrze zbadane, głównie dlatego, że wiele szczepów jest patogenami, a zatem ma znaczenie medyczne (np. Bacillus anthracis lub Clostridium difficile). Środowiskowe szczepy bakterii tworzących przetrwalniki zostały wyizolowane z praktycznie każdego środowiska (gleby, wody, osadów, powietrza, lodu, jelit ludzkich, jelit zwierząt i innych)1-3. Dlatego Firmicutes są drugą najliczniejszą gromadą w kolekcjach kultur4.
Ze względu na ich wytrzymałą zewnętrzną korę i ochronne białka rdzenia, przetrwalniki mogą przetrwać ekstremalne warunki środowiskowe, począwszy od wysuszenia, a skończywszy na wysokim promieniowaniu, ekstremalnych temperaturach i szkodliwych chemikaliach5. Ta niezwykła odporność sprawia, że ekstrakcja DNA z przetrwalników6-8 jest wyzwaniem. To prawdopodobnie wyjaśnia, dlaczego zostały one pominięte w badaniach sekwencjonowania środowiskowego9,10. Inne metody, takie jak celowanie w przetrwalniki w próbkach środowiskowych za pomocą przeciwciał fluorescencyjnych11, oznaczanie ilościowe kwasu dipikolinowego (DPA) w glebie12 i osadzie13, cytometria przepływowa14 lub pasteryzacja, a następnie hodowla15,16 zostały wykorzystane do uzyskania lub ilościowego określenia endospor w próbkach środowiskowych. W ostatnich latach opracowano zoptymalizowane metody ekstrakcji DNA, a także specyficzne startery molekularne do celowania w sekwencje genów specyficzne dla endospor10,17-20. Przyczyniło się to do ujawnienia większej różnorodności biologicznej wśród tej grupy bakterii21, a także doprowadziło do zastosowań w przemyśle i medycynie do wykrywania endospor, na przykład w mleku w proszku19.
Przedstawiony tutaj protokół opiera się na różnicy w odporności na szkodliwe warunki fizykochemiczne (takie jak ciepło i detergenty) przetrwalników bakteryjnych w stosunku do komórek wegetatywnych. Aby zniszczyć komórki wegetatywne w próbce, stosujemy kolejno ciepło, lizozym i niskie stężenia detergentów. Czas i siła tych zabiegów zostały zoptymalizowane tak, aby nie niszczyć zarodników, ale lizować wszystkie komórki wegetatywne. Niektóre komórki w środowiskowej puli komórkowej są bardziej odporne niż inne, dlatego aby zwiększyć prawdopodobieństwo zniszczenia wszystkich komórek wegetatywnych, stosujemy trzy różne zabiegi. Zaletą i nowością tej metody jest to, że przetrwalniki po zabiegu są nadal nienaruszone i mogą być wykorzystane do dalszych analiz. Obejmują one ekstrakcję DNA, ilościowy PCR (qPCR) oraz sekwencjonowanie amplikonowe lub metagenomiczne (ukierunkowane konkretnie na grupę endospor, a tym samym zmniejszające różnorodność, przy jednoczesnym zwiększeniu zasięgu). Przetrwalniki mogą być również wykorzystywane do dalszej hodowli lub kwantyfikacji za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, cytometrii przepływowej lub wykrywania DPA. Ważną cechą tej metody jest to, że porównując próbkę niepoddaną działaniu substancji z próbką poddaną działaniu środka, można wywnioskować ilość i różnorodność przetrwalników w próbce środowiskowej oprócz składnika odpowiadającego komórkom wegetatywnym.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie chemikaliów i sprzętu
2. Oddzielanie biomasy od osadu
3. Zbieranie biomasy na membranie filtracyjnej
4. Liza komórek wegetatywnych
5. Leczenie DNazy
Uwaga: Zabieg DNazy należy przeprowadzić bezpośrednio na membranie filtracyjnej. Ważne jest, aby jednostka filtrująca nie przeciekała, a pompa próżniowa była wyłączona.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawione tutaj wyniki zostały opublikowane wcześniej10,21. Prosimy o zapoznanie się z tymi artykułami w celu interpretacji środowiskowej i omówienia danych.
Cała procedura jest podsumowana na rysunku 1 i odpowiada trzem głównym krokom: po pierwsze, oddzielenie biomasy od osadu lub jakiejkolwiek innej matrycy środowiskowej; po drugie, zniszczenie komórek wegetatywnych; i po trzecie, dalsza analiza oddzielonych endospor. Dalsza analiza może polegać na przykład na...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Odporność endospor na zewnętrzne agresywne czynniki fizykochemiczne (np. temperaturę czy detergenty) wykorzystano do opracowania metody oddzielania endospor bakteryjnych od komórek wegetatywnych w próbkach środowiskowych. Jest to pierwsza kompleksowa metoda izolowania endospor z próbek środowiskowych w sposób nieniszczący. Poprzednie metody ilościowego określania, wykrywania lub analizowania endospor w próbkach opierały się na pomiarze określonych wskaźników zastępczych dla endospor, takich jak kwas dipikolinowy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki za grant nr 31003A-132358/1, 31003A_152972 i nr 151948, oraz Fundacji Pierre Mercier pour la Science.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Filtry membranowe nitrocelulozowe Whatman, 0,2 μ m wielkość porów, średnica 47 mm | Sigma-Aldrich | WHA7182004 Aldrich | |
| Tris(hydroksymetylo)aminometan | Sigma-Aldrich | 252859 Sigma-Aldrich | CAS 77-86-1 |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 Sigma-Aldrich | CAS 60-00-4 |
| Lizozym z białka jaja kurzego | Sigma-Aldrich | 62971 Fluka | w proszku, CAS 12650-88-3 |
| Homogenizator Ultra-Turrax T18 basic | IKA | 3720000 | |
| Szklane uchwyty filtrów do 47 mm membrany, szkło Pyrex | EMD Millipore | XX10 047 00 | |
| Pompa próżniowa do pracy chemicznej | Millipore | WP6122050 | 220 V/50 Hz |
| Filtracja do pobierania próbek w kolektorze dla 25 mm membrany | Millipore | 1225 Kolektor do pobierania próbek | polipropylen |
| Dnase | New England Biolabs | M0303S | Bez Rnazy |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S5881 Sigma-Aldrich | CAS 1310-73-2 |
| Dodecylosulfan sodu (SDS) | Sigma-Aldrich | L3771 Sigma | |
| Filtry membranowe nitrocelulozowe Whatman, 0,2 μ m wielkość porów, średnica 25 mm | Sigma-Aldrich | WHA7182002 Aldrich |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie