$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Postęp w cyklu komórkowym bakterii wymaga koordynacji wielu procesów, w tym biosyntezy błony i ściany komórkowej, replikacji i segregacji DNA oraz podziału komórek. Aby w pełni zrozumieć złożoność biologii komórek bakteryjnych, konieczne jest zbadanie tych podstawowych zdarzeń; Jest to jednak nietrywialne zadanie, ponieważ żywotność komórek jest zagrożona, gdy kluczowe składniki tych szlaków są mutagenne. Mikroskopia epifluorescencyjna w połączeniu z barwnikami specyficznymi dla celu jest skutecznym podejściem do badania tych podstawowych procesów w dzikich i zmutowanych szczepach bakterii.
Barwniki specyficzne dla peptydoglikanu obejmują antybiotyki fluorescencyjne (wankomycyna-FL, bocylina-FL) i fluorescencyjne d-aminokwasy (na przykład kwas 7-hydroksykumaryno-3-karboksylowy-3-amino-d-alanina, HADA; 4-chloro-7-nitrobenzofurazan-3-amino-d-alanina, NADA; tetrametylorodamino-3-amino-d-alanina; TADA). W przypadku bakterii Gram-dodatnich zastosowanie subletalnych stężeń fluorescencyjnych analogów antybiotyków do badania miejsc biosyntezy peptydoglikanu było skuteczną strategią ujawniania wzorców insercji peptydoglikanu1,2,3,4. Podczas gdy fluorescencyjne znakowanie wankomycyną zostało wykorzystane do uzyskania wglądu w wzorce wstawiania peptydoglikanu w utrwalonych bakteriach Gram-ujemnych5, błona zewnętrzna na ogół zapewnia barierę przepuszczalności, która uniemożliwia stosowanie antybiotyków fluorescencyjnych jako sondy do biosyntezy peptydoglikanu w żywych komórkach. W przeciwieństwie do tego, krótkie impulsy fluorescencyjnych d-aminokwasów lub d-aminokwasów z biortogalnymi grupami funkcyjnymi kowalencyjnie oznaczają regiony niedawnej insercji peptydoglikanu w szerokim zakresie żywych komórek bakteryjnych6,7. Wzorce insercji peptydoglikanu, które zaobserwowano w przypadku syntetycznych d-aminokwasów, obejmują punktowy i przegrodowy (Escherichia coli i Bacillus subtilis), polarny i przegrodowy (Agrobacterium tumefaciens i Listeria monocytogenes), samą przegrodę (Staphylococcus aureus) i wierzchołkową (Streptomyces venezuelae)6,7. Obserwacje te wskazują, że bakterie wykazują różne wzorce biogenezy ściany komórkowej i że stosowanie syntetycznych d-aminokwasów jako sond do badania wzorców wzrostu jest cenną strategią u wielu bakterii.
Barwniki oznaczające chromosomy bakteryjne zawierają specyficzny dla kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) spoiwo drobnego rowka (4,6-diamidyn-2-fenyloindol; DAPI) i barwniki cyjaninowe o wysokim powinowactwie (zielony i pomarańczowy; patrz lista materiałów). Barwienie DAPI komórek stałych pomaga w wyliczaniu bakterii z próbek środowiskowych8, podczas gdy barwienie DAPI żywych komórek służy do wskazania żywotności bakterii9. W przeciwieństwie do tego, barwniki cyjaninowe, takie jak pomarańczowy i zielony, są często opisywane jako nieprzepuszczalne dla błony "martwe" barwniki komórkowe w celu wyliczenia komórek niezdolnych do życia9. Co ciekawe, gdy te odczynniki są używane do badania morfologii bakteryjnego nukleoidu podczas wzrostu komórek, wykazano, że DAPI, pomarańczowy i zielony są przepuszczalne przez błonę i zdolne do znakowania żywych komórek10. W żywych komórkach E. coli barwienie DNA DAPI wydaje się rozproszone z powodu autofluorescencji z cytoplazmy, a powtarzające się ekspozycje komórek barwionych DAPI na światło ultrafioletowe (UV) zaburzają strukturę nukleoidu10. Barwienie E. coli lub B. subtilis pomarańczą ujawnia, że barwnik ten jest przepuszczalny przez błonę i zapewnia długotrwałą fluorescencję po związaniu się z DNA w żywych komórkach bez wpływu na wzrost komórek, replikację DNA lub segregację chromosomów10. Obserwacje te sugerują, że cyjaninowe barwniki DNA mogą być używane do monitorowania morfologii nukleoidów podczas wzrostu komórek u wielu bakterii.
Specyficzne dla fosfolipidów barwniki strylowe, takie jak N-(3-trietyloamoniompropylo)-4-(6-(4-(dietyloamino)fenylo)heksatrienylo)pirydyny dibromek (4-64; zobacz listę materiałów) są związkami kationowymi i kojarzą się preferencyjnie z ujemnie naładowanymi fosfolipidami, takimi jak kardiolipina i fosfatydyloglicerol11. Wyraźne wzorce obserwuje się, gdy 4-64 jest używany do oznaczania błony różnych bakterii. U Escherichia coli 4-64 jest wzbogacony w biegunach, w pasmach wzdłuż ściany bocznej oraz w miejscach podziału późnych komórek przedpodziałowych12. U Bacillus subtilis znakowanie 4-64 umożliwia wizualizację spiral lipidowych13. U Agrobacterium tumefaciens, 4-64 oznacza błonę zewnętrzną i jest obserwowany w charakterystycznym "podkowiastym" wzorze, w którym biegun wzrostu jest pozbawiony etykietowania14,15. Obserwacje te wskazują, że bakterie te wykazują niejednorodne rozmieszczenie lipidów ze względu na obecność domen lipidowych, które przyczyniają się do asymetrii komórkowej. Zmiany we wzorcach znakowania 4-64, takie jak obecność znakowania rozproszonego, pęcherzyków lub pęcherzyków, wgłębień lub skurczu błony, mogą być pouczające w charakterystyce mutantów, które wpływają na dystrybucję lub biosyntezę lipidów.
Poza barwieniem komórek, konieczne jest określenie funkcji białek uczestniczących w podstawowych procesach. Charakterystyka niezbędnych białek jest technicznie trudna, ponieważ nie jest możliwe usunięcie niezbędnych genów i zbadanie konsekwencji fenotypowych. W ten sposób pojawiły się alternatywne podejścia, które zubażają białko. Na przykład, niezbędny gen może być poddany kontroli indukowalnego promotora, a nie jego natywnego promotora. Indukowalne promotory reagują na małe cząsteczki, takie jak; zinc16, izopropyl β-d-1-tiogalaktopiranozyd (IPTG)17,18,19,20,21, arabinose22, vanillate17,23, oraz xylose23, w ten sposób transkrypcja genu docelowego ustaje, a białko będące przedmiotem zainteresowania ulega wyczerpaniu po usunięciu induktora. Alternatywne podejścia do wyczerpywania się podstawowych białek obejmują syntetyczne ryboprzełączniki24, które wykorzystują interakcje małych cząsteczek z RNA, aby utrudnić transkrypcję docelowych genów, interferencja CRISPR25,26 w celu zablokowania transkrypcji docelowych genów oraz indukowalna degradacja białek27,28 który wykorzystuje znaczniki peptydowe do kierowania białek do degradacji przez proteazę ClpXP. Szczepy zubożone zapewniają tylko krótki czas na scharakteryzowanie, zanim komórki stracą żywotność, dlatego obrazowanie mikroskopowe komórek w czasie podczas zubożenia białka jest potężnym podejściem do charakteryzacji. Rzeczywiście, mikroskopia żywych komórek bakteryjnych umożliwiła naukowcom uzyskanie wglądu w podstawowe procesy biologiczne, w tym mechanizmy utrzymywania kształtu komórek, wydzielania i podziału na kompartmenty29.
A. tumefaciens to bakteryjny patogen roślin30 i naturalny inżynier genetyczny31,32. Tak więc mechanizmy związane z chorobotwórczością, w tym interakcje gospodarz-patogen33,34,35, secretion36 i transformacja hosta30,31,37 zostały dokładnie zbadane. Aby opracować strategie, które zapobiegają chorobom, w których pośredniczy A. tumefaciens, lub wspomagają transformację roślin, konieczne jest lepsze zrozumienie procesów niezbędnych do przetrwania A. tumefaciens. Zastosowanie barwników specyficznych dla celu i niedawne opracowanie strategii detruzji białek dla A. tumefaciens18 dostarcza środków do badania podstawowych procesów.
Tutaj znajdują się szczegółowe protokoły do analizy mikroskopowej szczepów A. tumefaciens typu dzikiego, zmutowanego i zubożającego białka. Pierwsze dwa protokoły opisują, w jaki sposób przygotować komórki i oznaczyć je barwnikami specyficznymi dla celu. Trzeci protokół zawiera instrukcje krok po kroku, jak przygotować płatki agarozowe (Rysunek 1) i obrazować komórki bakteryjne (Rysunek 2, Rysunek 3, Rysunek 4). Protokoły te mogą być również odpowiednie dla innych bakterii z dodatkowymi adaptacjami w celu uwzględnienia różnych warunków pożywki, tempa wzrostu, zapotrzebowania na tlen i struktur komórkowych.