Apresentado aqui está o protocolo para um ensaio in situ chemotaxis, um dispositivo microfluido recentemente desenvolvido que permite estudos de comportamento microbiano diretamente no ambiente.
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Artigo de método
Apresentado aqui está o protocolo para um ensaio in situ chemotaxis, um dispositivo microfluido recentemente desenvolvido que permite estudos de comportamento microbiano diretamente no ambiente.
Comportamentos microbianos, como motilidade e quimiotaxis (a capacidade de uma célula alterar seu movimento em resposta a um gradiente químico), são difundidos através dos domínios bacteriano e arqueológico. A quimiotaxis pode resultar em vantagens substanciais de aquisição de recursos em ambientes heterogêneos. Também desempenha um papel crucial nas interações simbióticas, doenças e processos globais, como o ciclismo biogeoquímico. No entanto, as técnicas atuais restringem a pesquisa de quimitaxis ao laboratório e não são facilmente aplicáveis no campo. Apresentado aqui é um protocolo passo-a-passo para a implantação do ensaio in situ chemotaxis (ISCA), um dispositivo que permite um interrogatório robusto de quimitaxis microbianas diretamente no ambiente natural. O ISCA é um dispositivo microfluido que consiste em uma matriz de 20 poços, na qual produtos químicos de interesse podem ser carregados. Uma vez implantados em ambientes aquosos, os produtos químicos difundem-se dos poços, criando gradientes de concentração que os micróbios sentem e respondem nadando nos poços via quimiotaxis. Os conteúdos do poço podem então ser amostrados e utilizados para (1) quantificar a força das respostas quimotacticas a compostos específicos através da citometria de fluxo, (2) microrganismos responsivos isolados e culturais, e (3) caracterizar a identidade e o potencial genômico das populações que respondem através de técnicas moleculares. O ISCA é uma plataforma flexível que pode ser implantada em qualquer sistema com uma fase aquosa, incluindo ambientes marinhos, de água doce e solo.
Diversos microrganismos usam motilidade e quimiotaxis para explorar ambientes de nutrientes irregulares, encontrar hospedeiros ou evitar condições deletérios1,,2,3. Esses comportamentos microbianos podem, por sua vez, influenciar as taxas de transformação química4 e promover parcerias simbióticas entre os ecossistemas terrestres, de água doce e marinha2,,5.
A quimiotaxis tem sido extensivamente estudada em condições laboratoriais nos últimos 60 anos. O primeiro método quantitativo para estudar quimiotaxis, o ensaio capilar, envolve um tubo capilar preenchido com um quimioattractant putativo imerso em uma suspensão de bactérias6. A difusão do produto químico fora do tubo cria um gradiente químico, e as bactérias quimotacticas respondem a este gradiente migrando para o tubo7. Desde o desenvolvimento do ensaio capilar, ainda amplamente utilizado hoje, muitas outras técnicas têm sido desenvolvidas para estudar quimotáxis em condições físicas/químicas cada vez mais controladas, com a mais recente envolvendo o uso de microfluidos8,,9,,10.
Microfluidos, juntamente com microscopia de vídeo de alta velocidade, permite o rastreamento do comportamento de células únicas em resposta a gradientes cuidadosamente controlados. Embora essas técnicas tenham melhorado muito nossa compreensão das quimotáxis, elas foram restritas ao uso laboratorial e não se traduzem facilmente na implantação de campo em sistemas ambientais. Como consequência, a capacidade das comunidades naturais de bactérias de usar quimitaxis dentro dos ecossistemas naturais não foi examinada; assim, a compreensão atual da potencial importância ecológica da quimiotaxis é tendenciosa em relação às condições artificiais de laboratório e a um número limitado de isolados bacterianos cultivados em laboratório. O ISCA recém-desenvolvido supera essas limitações11.
A ISCA baseia-se no princípio geral do ensaio capilar; no entanto, faz uso de técnicas modernas de microfabricação para fornecer uma plataforma experimental altamente replicada e facilmente implantável para a quantificação de quimitaxis em direção a compostos de interesse no ambiente natural. Também permite a identificação e caracterização de microrganismos quimotacticos por meio de isolamento direto ou técnicas moleculares. Enquanto o primeiro dispositivo de trabalho foi auto-fabricado e construído de vidro e PDMS11, a versão mais recente moldada por injeção é composta de policarbonato, usando um procedimento de fabricação altamente padronizado (para interesse na versão mais recente do dispositivo, os autores correspondentes podem ser contatados).
O ISCA é do tamanho de um cartão de crédito e consiste em 20 poços distribuídos em uma matriz de poços 5 x 4, cada um ligado ao ambiente aquático externo por uma pequena porta (800 μm de diâmetro; Figura 1). Quimioattractants putativos carregados nos poços difusam para o meio ambiente através do porto, e micróbios quimotacticos respondem nadando pelo porto até o poço. Como muitos fatores podem influenciar o resultado de um experimento isca no ambiente natural, este protocolo passo a passo ajudará novos usuários a superar potenciais obstáculos e facilitar implantações eficazes.
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Recomendamos executar a seção 1 antes de experimentos de campo para otimizar resultados.
1. Otimização laboratorial
NOTA: Os volumes descritos no procedimento de otimização são suficientes para um único ISCA (composto por 20 poços).
2. Preparação para implantação de campo
NOTA: A preparação do material e a construção do compartimento de amortecimento de fluxo (seção 2) devem ser realizadas antes da implantação.
3. Procedimento no campo
4. Aplicações a jusante
NOTA: Os volumes são dados com base em uma amostra de 550 μL (uma linha de isca).
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Esta seção apresenta resultados laboratoriais usando o ISCA para testar a resposta quimotactica de micróbios marinhos a uma faixa de concentração de glutamina, um aminoácido conhecido por atrair bactérias do solo14. A concentração de glutamina que provocou a resposta quimotactica mais forte nos testes laboratoriais foi utilizada para a realização de um ensaio de quimiotaxis no ambiente marinho.
Para realizar os testes laboratoriais, as comunidades de água do mar amostra...
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Na escala dos microrganismos aquáticos, o ambiente está longe de ser homogêneo e muitas vezes é caracterizado por gradientes físicos/químicos que estruturam comunidades microbianas1,,15. A capacidade dos microrganismos motile de usar o comportamento (ou seja, quimiotaxis) facilita o forrageamento dentro desses microambientes heterogêneos1. Estudar quimiotaxis diretamente no ambiente tem o potencial de identificar importantes interações int...
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Os autores não declaram conflito de interesses.
Esta pesquisa foi financiada em parte pela Iniciativa de Microbiologia Marinha da Fundação Gordon e Betty Moore, através da concessão GBMF3801 a J.R.S. e R.S., e um Prêmio investigador (GBMF3783) para a R.S., bem como uma Bolsa do Conselho de Pesquisa Australiano (DE160100636) para J.B.R., um prêmio da Simons Foundation para B.S.L. (594111), e uma bolsa da Simons Foundation (542395) para r.S. como parte dos Princípios dos Ecossistemas Microbianos (PriME) Colaborativo.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Cola acrílica | Evonik | 1133 | Acrifix 1S 0116 |
| Folha acrílica | McMaster-Carr | 8505K725 | Ou empresa diferente |
| Fita adesiva | Scotch | 3M 810 | Fita adesiva Scotch Magic |
| Autoclave | Systec | D-200 | Ou empresa diferente |
| Centrífuga de bancada | Fisher Scientific | 75002451 | Ou empresa diferente |
| Corda elástica | Paracord Planet | 667569184000 | Ou empresa diferente |
| Tubo de centrífuga - 2 mL | Sigma Aldrich | BR780546-500EA | Tubo Eppendorf |
| Tubo de centrífuga cônico - 15 mL | Fisher Scientific | 11507411 | Tubo Falcon |
| Tubo de centrífuga cônico - 50 mL | Fisher Scientific | 10788561 | Tubo Falcon |
| Braço de implantação | Irwin | 1964719 | Ou empresa diferente |
| Plugue de gabinete de implantação | Fisher Scientific | 21-236-4 | Ver alternativas no manuscrito |
| Limpadores descartáveis | Kimtech - Fisher Scientific | 06-666 | Citômetro |
| de fluxo | Kimwipes Beckman | C09756 | CYTOFlex |
| Glutaraldeído 25% | Sigma Aldrich | G5882 | Ou empresa diferente |
| Corante fluorescente verde | Sigma Aldrich | S9430 | SYBR Verde I - diluição final 1:10.000 |
| Cartucho de filtro GP hidrofílico - 0,2 µ m | Filtro Merck | C3235 | Sterivex |
| Ensaio de quimiotaxia in situ (ISCA) | - | Entre em contato com os autores correspondentes | |
| Cortador a laser | Epilog Laser | Fusion pro 32 | Ou empresa diferente |
| Luria Bertani Caldo | Sigma Aldrich | L3022 | Ou empresa diferente |
| Caldo marinho 2216 | VWR | 90004-006 | Difco |
| Nylon parafusos de cabeça chata com fenda | McMaster-Carr | 92929A243 | M 2 &vezes; 4 &vezes; 8 mm |
| Conjunto de pipetas | Fisher Scientific | 05-403-151 | Ou empresa diferente |
| Pontas de pipeta - 1 mL | Fisher Scientific | 21-236-2A | Ou empresa diferente |
| Pontas de pipeta - 20 µ L | Fisher Scientific | 21-236-4 | de empresas diferentes |
| - 200 µ L | Fisher Scientific | 21-236-1 | Ou empresa diferente |
| Sal marinho | Sigma Aldrich | S9883 | Para pipeta sorológica artificial de água do mar |
| - 50 mL | Sigma Aldrich | SIAL1490-100EA | Ou empresa diferente |
| Filtro de seringa - 0,02 µ m | Whatman | WHA68091002 | Anatop filter |
| Filtro de seringa - 0.2 µ m | Fisher Scientific | 10695211 | Ou empresa diferente |
| Seringa agulha 27G | Henke Sass Wolf | 4710004020 | 0,4 × Seringas de 12 mm |
| - 1 mL | Codau | 329650 | Insulina Luer U-100 |
| Seringas - 10 mL | BD | 303134 | Ou empresa diferente |
| Seringas - 50 mL | BD | 15899152 | Ou empresa diferente |
| Tubo rack - 15 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Ou empresa diferente |
| Rack de tubos - 50 mL | Thomas Scientific | 1159V80 | Ou empresa diferente |
| Torneira de Uso Geral de Aço de Alta Velocidade Não Revestida | McMaster-Carr | 8305A77 | Ou empresa diferente |
| Filtro de vácuo - 0.2 µ m | Filtro Merck | SCGPS05RE | Steritop |
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