Streptomycety to bytujące w glebie bakterie, które charakteryzują się złożonym cyklem rozwojowym obejmującym różnicowanie morfologiczne od wielokomórkowego, poszukującego składników odżywczych mycelium do uśpionych, unigenomicznych przetrwalników 1-3.
W sprzyjających warunkach wzrostu typowa przetrwalnik Streptomyces zaczyna kiełkować poprzez wydłużanie jednej lub dwóch rurek kiełkowych (Rycina 1). Rurki te wydłużają się poprzez wzrost wierzchołkowy i przekształcają w rozgałęzioną sieć strzępek zwaną grzybnią wegetatywną. Wzrost polarny oraz rozgałęzianie się strzępek jest kierowane przez niezbędne białko DivIVA. To białko o strukturze zwiniętej spirali (coiled-coil) jest częścią dużego kompleksu cytoplazmatycznego zwanego polarysomem, który ma kluczowe znaczenie dla wbudowywania nowego materiału otoczki komórkowej w wydłużającym się wierzchołku 4-7. Podczas wzrostu wegetatywnego włókna strzępkowe ulegają przedziałowaniu poprzez rzadkie tworzenie tak zwanych ścian poprzecznych 8. Tworzenie tych ścian poprzecznych wymaga FtsZ, białka cytoszkieletowego podobnego do tubuliny, które jest niezbędne do podziału komórkowego u większości bakterii 9. Jednak w przypadku Streptomyces te wegetatywne ściany poprzeczne nie prowadzą do przewężenia i oddzielenia komórek, w związku z czym masa grzybni pozostaje siecią połączonych przedziałów syncytialnych. W odpowiedzi na ograniczenie składników odżywczych oraz inne, słabo poznane sygnały, wyspecjalizowane strzępki powietrzne oddzielają się od grzybni wegetatywnej i rosną w powietrze 3. Powstanie tych struktur inicjuje reprodukcyjną fazę rozwoju, podczas której długie, wielogenomowe strzępki powietrzne dzielą się na dziesiątki jednogenomowych przedziałów przetrwalnikowych o jednakowej wielkości. To masowe zdarzenie podziału komórkowego jest napędzane przez synchroniczne przewężenie wielu pierścieni FtsZ w obrębie pojedynczych strzępek sporogennych 2,10. Dyferencjację morfologiczną kończy uwolnienie uśpionych, grubościennych, pigmentowanych przetrwalników.

Rysunek 1: Streptomyces cykl życiowy na podłożach stałych. Jest to model cyklu życiowego oparty na klasycznych badaniach nad S. coelicolor wzrastanie na płytkach agarowych. Rozwój komórkowy zarodnika rozpoczyna się od utworzenia jednej lub dwóch rurek kiełkowania, które rosną poprzez wydłużanie wierzchołkowe, tworząc sieć rozgałęzionych strzępek. Wzrost polarny i rozgałęzianie się strzępek wegetatywnych jest kierowane przez białko DivIVA (kolor czerwony). Tworzenie wegetatywnych ścian poprzecznych wymaga obecności FtsZ (kolor zielony). W odpowiedzi na ograniczenie dostępności składników odżywczych oraz inne sygnały powstają strzępki powietrzne. Zatrzymanie wzrostu powietrznego jest ściśle skoordynowane ze składaniem się szeregu pierścieni FtsZ, które prowadzą do powstania przegród sporulacyjnych, dzielących strzępki sporogenne na przypominające pudełka przedmiędzykomórki zarodnikowe. W przedmiędzykomórkach tych powstaje gruba ściana zarodnika, a następnie zostają one uwolnione jako dojrzałe, pigmentowane zarodniki.
Kluczowe zdarzenia rozwojowe w cyklu życiowym Streptomyces są dobrze scharakteryzowane 1,3. Brakuje jednak badań biologii komórki z wykorzystaniem mikroskopii fluorescencyjnej time-lapse, które dostarczyłyby wglądu w subkomórkowe procesy leżące u podstaw różnicowania, takie jak dynamika lokalizacji białek, ruch chromosomów oraz kontrolowany rozwojowo podział komórek. Obrazowanie żywych komórek podczas rozwoju Streptomyces było trudne ze względu na złożoność cyklu życiowego i charakterystykę fizjologiczną tego organizmu. W poprzednich badaniach nad wzrostem wegetatywnym i początkowymi etapami septacji podczas sporulacji stosowano przepuszczalne dla tlenu komory obrazowania lub hodowlę Streptomyces coelicolor na podłożu z agarozy na stole mikroskopu 1-15. Metody te są jednak ograniczone przez szereg czynników. Niektóre systemy umożliwiają jedynie krótkotrwałe obrazowanie wzrostu komórkowego i białek fluorescencyjnych, zanim komórki ucierpią z powodu niewystarczającej podaży tlenu lub wyrosną poza płaszczyznę ogniskowania ze względu na trójwymiarowy wzorzec rozwoju strzępek. W przypadkach, gdy możliwe jest długoterminowe obrazowanie, hodowla komórek na podkładkach agarowych ogranicza elastyczność eksperymentalną, ponieważ komórki nie mogą być poddane alternatywnym warunkom wzrostu lub stresu, a fluorescencja tła pochodząca z medium w podkładkach agarowych znacznie ogranicza możliwość monitorowania słabszych sygnałów fluorescencyjnych.
W niniejszej pracy opisujemy protokół obrazowania żywych komórek w całym cyklu życiowym Streptomyces z doskonałą precyzją i czułością. Dzięki hodowli Streptomyces w urządzeniu mikrofluidycznym połączonym z mikroskopem fluorescencyjnym z oświetleniem szerokopolowym (Rysunek 2), jesteśmy w stanie monitorować kiełkowanie, wzrost wegetatywny i septację podczas sporulacji w okresie do 30 hr. Jest to znacznie ułatwione dzięki zastosowaniu nowego organizmu modelowego Streptomyces venezuelae, ponieważ sporuluje on niemal całkowicie w kulturze zanurzonej, co pozwala przełamać ograniczenia klasycznego gatunku modelowego S. coelicolor, który sporuluje wyłącznie na podłożach stałych 16-20. Aby pomóc w wizualizacji wzrostu wegetatywnego i sporulacji, współwyrażamy wersje z fluorescencyjnymi znacznikami marker polarności komórkowej DivIVA oraz kluczowego białka podziału komórkowego FtsZ.
Stosujemy dostępny w sprzedaży układ mikroprzepływowy, który z powodzeniem wykorzystywano w badaniach nad prątkami, Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis oraz drożdże 21-25System ten więzi komórki w pojedynczej płaszczyźnie ogniskowej i umożliwia kontrolę ciągłej perfuzji pożywki hodowlanej z różnych zbiorników. W szczegółowym protokole wykorzystujemy tę funkcję, aby poddać działaniu *S. venezuelae* grzybnię wegetatywną do ograniczenia dostępności składników odżywczych w celu promowania sporulacji.
Opisany protokół służy do obrazowania żywych komórek w całym cyklu życiowym Streptomyces, jednak można wybrać alternatywne warunki hodowlane lub ustawienia mikroskopu, jeśli szczególnym zainteresowaniem objęte są konkretne stadia rozwojowe.

Rysunek 2: Schemat przedstawiający przebieg prac eksperymentalnychPrzedstawiono trzy główne etapy opisane w protokole. Po pierwsze, z kultury w fazie stacjonarnej przygotowuje się zarodniki oraz zużyte podłoże. Po drugie, świeże zarodniki wprowadza się do systemu mikroprzepływowego i S. venezuelae obrazuje się przez cały cykl rozwojowy, wykorzystując w pełni zautomatyzowany mikroskop odwrócony z komorą inkubacyjną w celu utrzymania optymalnej temperatury wzrostu. Po trzecie, uzyskana seria obrazów time-lapse jest analizowana i przetwarzana przy użyciu oprogramowania otwartoźródłowego Fiji.