Наш экспериментальный подход обеспечивает стратегию по следу за изобилием плазмида и устойчивостью к антибиотикам с течением времени в бактериальных популяциях.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Наш экспериментальный подход обеспечивает стратегию по следу за изобилием плазмида и устойчивостью к антибиотикам с течением времени в бактериальных популяциях.
Плазмиды играют важную роль в микробной экологии и эволюции как средства боковой передачи генов и резервуары вспомогательных функций генов в микробных популяциях. Это особенно актуально в условиях быстро меняющихся условий, таких как колебания воздействия антибиотиков. Недавно мы показали, что плазмиды поддерживают гены устойчивости к антибиотикам в escherichia coli без положительного отбора для присутствия плазмиды. Здесь мы описываем экспериментальную систему, которая позволяет следовать как плазмид генотип и фенотип в долгосрочных экспериментов эволюции. Мы используем молекулярные методы для разработки модели плазмида, которая впоследствии вводится в экспериментальный подход к системе пакетов эволюции в хостах кишечной палочки. Мы следуем плазмидной частоты с течением времени, применяя реплики покрытие e. coli населения при количественной устойчивости к антибиотикам. Кроме того, мы отслеживаем конформацию плазмидов в клетках-хозяинах, анализируя степень плазмидного мультимерного образования с помощью плазмидного никинга и электрофореза агарозного геля. Такой подход позволяет визуализировать не только размер генома эволюционных плазмидов, но и их топологический конформации - фактор, очень важный для плазмидного наследования. Наша система сочетает в себе молекулярные стратегии с традиционными подходами микробиологии и обеспечивает настройку для наблюдения за плазмидами в бактериальных популяциях в течение длительного времени. Представленный подход может быть применен для изучения широкого спектра мобильных генетических элементов в будущем.
Плазмиды являются круговыми, самовоспроизводятся генетические элементы, которые повсеместно в прокариот. Они являются агентами боковой передачи генов, так как они могут передавать черты между микробными популяциями, и, таким образом, считаются играть важную роль в эволюции микробов. Плазмиды являются драйверами быстрой адаптации к условиям ограничения роста в течение короткого времени (например, при наличии антибиотиков или пестицидов1)и отвечают за долгосрочный переход к другим способам образа жизни (например, появление патогенности2). Наиболее яркие примеры воздействия плазмидов на передачу генов задокументированы в экосистемах, подверженных колебаниям уровней антибиотиков, таких как медицинские клиники или в промышленных фермах3. Из-за сильного положительного отбора, многие плазмиды кодируют для противомикробных генов устойчивости и часто встречаются, чтобы придать мультирезистентность их бактериального хозяина. Плазмиды позволяют миграцию между популяциями или бактериальными видами, что приводит к быстрому распространению множественной устойчивости к противомикробным препаратам. В неселективных условиях плазмиды не являются существенными для клетки и часто даже называют паразитическими элементами. Тем не менее, плазмиды являются вездесущими в природе, и их эволюция тесно переплетена с бактериальными хромосомами. Сохранение плазмиды в естественной среде (колеблющейся и неселективной) остается плохо изученным, но оно имеет большое значение для нашего понимания сохранения генов устойчивости к антибиотикам в природе.
Экспериментальная эволюция является мощным инструментом для изучения микробных популяций4. Экспериментальная эволюция показала, что навязывание сильного отбора для плазмидного обслуживания приводит к компенсационной (т.е. адаптивной) эволюции плазмидной или хост-хромосомы, что снижает стоимость плазмидной пригодности и, в свою очередь, облегчает изобилие плазмидных (т.е. плазмидную стойкость)5,6,7. Таким образом, после плазмид-хозяина взаимодействия с течением времени может выявить важные механизмы адаптации обоих элементов. Кроме того, экспериментальная эволюция позволяет количественно обилие плазмид-несущих клеток с течением времени при различных условиях8,9,10.
Плазменный упорство в экспериментах по эволюции может контролироваться несколькими стратегиями, включая цитометрию потока с помощью флуоресцентной активированной сортировки клеток (FACS)11, количественного ПЦР (qPCR)11, или в методах, основанных на выращивании. Цитометрия потока требует машины FACS и введения обнаруживаемого (флуоресцентного) маркерного гена, такого как зеленый флуоресцентный белок (GFP), на плазмид. Тем не менее, выражение GFP может изменить несколько клеточных свойств и, кроме того, влиять на плазмидное расположение в ячейке12, что, в свою очередь, может повлиять на плазмидное наследование во время деления клеток. подход qPCR для измерения изобилия плазмида может быть весьма предвзятым по плазмидной копии числа, которые могут сильно варьироваться вдоль стадии роста бактерий и с течением времени13. Наконец, подход, основанный на культуре и покрытие, требует введения выбираемого гена маркера. Это может быть ген устойчивости к антибиотикам, который часто кодируется на естественных плазмидах; таким образом, никаких генетических манипуляций не требуется. Устойчивость к антибиотикам может сопровождаться традиционным подходом к покрытию реплики. Таким образом, для изучения естественной плазмидной динамики, реплика покрытие хорошо подходит для мониторинга плазмид-кодированных антибиотиков резизитов14.
Для визуализации молекул плазмида (например, для оценки плазмидного размера) могут быть применены несколько методов. Целые плазмиды могут быть усилены с помощью подхода, основанного на ПЦР. Однако для этого требуется разработка конкретных грунтовок, которые могут быть сложными в ходе эксперимента по эволюции, поскольку плазмидная последовательность может меняться с течением времени. Кроме того, трудно усилить плазменовые мультимеры в подходе на основе ПЦР из-за нескольких связывающих сайтов для праймеров ПЦР. Многомерные молекулы плазмида могут появиться после прекращения репликации плазмида или через рекомбинацию молекул плазмида и в основном ориентированы голова к хвосту15. Другой подход плазмидвизуализации в сочетании ферментативного пищеварения молекул плазмида ДНК эндонуклеазов, которые либо расщеплять или ник плазмидной нити ДНК с агарозным гелем электрофорезанализа анализа. Одиниковый плазмид разных размеров (например, мономеры против мультимеров) приводит к различным гелевые мобилизующие, которые могут наблюдаться при визуализации молекул плазмида. Такой подход позволяет визуализировать и количественно измерить различные плазмидные конформации (т.е. состояния мультимеризации). Плазмидная конформация может быть использована в качестве индикатора плазмидной устойчивости, так как плазмидные мультимеры часто теряются во время деления клеток16.
В недавней работе мы следили за плазмидной настойчивостью в условиях, которые не были избирательными для изобилия плазмида (т.е. без отбора антибиотиков). Мы сравнили устойчивость плазмида при двух различных температурах (20 градусов по Цельсию и 37 градусов по Цельсию) и трех размерах популяции (т.е. коэффициенты разбавления). Применение различных показателей разбавления, или узких мест популяции, позволяет исследует влияние численности популяции на бактериальную и плазмидную эволюцию. Основываясь на наших результатах, мы предлагаем, что плазмиды могут быть нейтральными к их бактериального хозяина и может развиваться стабильность без какого-либо давления отбора8. Эволюция плазмидной стабильности присуждается сокращением плазмидного мультимерного образования8.
Здесь мы представляем протокол для количественной оценки сохранения плазмида и исследования плазмидной эволюции в отношении поддержания генов устойчивости к антибиотикам. Метод имеет несколько шагов, в том числе вставка гена устойчивости к антибиотикам в модель плазмида (который может быть опущен при использовании природной плазмиды устойчивости), а затем использование экспериментальной эволюции для оценки потенциала плазмида, чтобы сохранить в неселективных условиях при определении динамики плазмидной частоты с течением времени с помощью реплики покрытия, и анализ плазмидного генома путем визуализации. Описанный здесь протокол был разработан для изучения эволюции и сохранения плазмидов, но он также может быть применен для наблюдения за эволюцией генов хромосомной резистентности (или других генов маркеров) с течением времени.
1. Конструкция модели плазмиды, несущей ген устойчивости к антибиотикам
ПРИМЕЧАНИЕ: Штамм Escherichia coli K-12 MG1655 использовался в качестве образцового организма во всех экспериментах (DSM No 18039, Немецкая коллекция микроорганизмов и клеточных культур, DSM). Штамм E. coli DH5'17 использовался во время плазмидной конструкции.
2. Мониторинг плазмид-несущих бактерий в различных условиях с течением времени
ПРИМЕЧАНИЕ: Эволюция эксперимент проводится с плазмидно-несущих штаммов в неселективных условиях (LB media) в двух температурах (37 градусов по Цельсию и 20 градусов по Цельсию) и три популяции узких размеров. Экспериментальная конструкция используется для изучения плазмидной стойкости в различных условиях.
3. Визуализация плазмидных мультимер с использованием геля электрофореза
ПРИМЕЧАНИЕ: Плазмида экстракции плазмиды с низким уровнем копирования часто приводит к загрязнению хост хромосомной ДНК, которая должна быть ферментативно усваивается до визуализации.
Здесь мы представляем подход к изучению плазмидной эволюции путем количественной оценки сохранения плазмидвой пластыря в популяции. Во-первых, мы покажем, как построить плазмид проведения E. coli штамм MG1655 pCON, который впоследствии вводится в эксперимент эволюции. Во-вторых, мы представляем простой метод следованизать за изобилием плазмиды в эволюционирует бактериальных населенностях. Наконец, мы показываем, как визуализировать размер молекулы плазмида и конформацию.
В нашей предыдущей работе8 с использованием представленного подхода мы провели эксперимент эволюции после сохранения устойчивости к антибиотикам плазмиды в кишечной палочке в отсутствие антибиотиков (Рисунок 4). Наши репрезентативные результаты показывают эволюцию популяций при 37 градусах Цельсия и скорости разбавления 10-4. После обилия плазмид-несущих клеток, мы наблюдали снижение частоты плазмид-несущих клеток-хозяев с течением времени(Рисунок 4). Наш подход позволил нам обнаружить, что потеря плазмида была результатом сгущенной плазмидной архитектуры генома, что привело к плазмидной нестабильности, вызванной конфликтами, введенными транскрипцией гена сопротивления и репликацией самой плазмиды. Визуализация молекул плазмида позволила нам обнаружить, что эти конфликты привели к нестабильной плазмидной конформации (т.е. плазмидное мультимерное образование, рисунок 5). Тем не менее, мы наблюдали плазмидную эволюцию стабильности без воздействия антибиотиков(рисунок 4). Эволюция стабильности была присваивается плазмидной внутренней дублирования, которые отменили транскрипции репликации конфликтов и привело к образованию стабильно унаследованных плазмидов. Таким образом, наши результаты демонстрируют важность рекомбинации и усиления генома в адаптивной эволюции генетических элементов.

Рисунок 1: Плазмидный дизайн pCON. Схематическое представление стратегии клонирования, используемой для построения плазмидного пкОН. Плазменный позвоночник (pBBR1) и ген устойчивости кантибиотикам (nptII) усиливаются и сливается с изотермальным синтезом20. Это дает плазмид pCON и штамм MG1655 pCON. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Дизайн долгосрочного эксперимента по эволюции. Схематическое представление эксперимента по серийному переводу. Популяции плазмид-несущих (pCON) покрываются селективными носителями. Колонии предков случайным образом выбираются из пластины и вводятся в систему серийного перевода. Переводы осуществляются с тремя различными подходами разбавления для имитации узких мест популяции различных размеров. Разбавления последовательно повторяются. Эксперимент проводится в двух температурных режимах. Частота плазмид-хозяина измеряется вдоль эксперимента с помощью реплики покрытия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Реплика покрытие. Схематическое представление шагов, используемых в репликации покрытия бактериальных популяций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Частота pCON представителя с течением времени. Настойчивость pCON показана как доля хостов (репрезентативных популяций репликации) в ходе эксперимента по эволюции. Для 98 переносов популяции плазмидных пластов pCON развивались в неселективных условиях с коэффициентом разбавления 10-4. Все репликации, несущие плазмидный пкон, уменьшились в популяции. После этого население подвергалось воздействию антибиотиков для ночной инкубации и вновь культивировалось в неселективных условиях для проверки на эволюцию плазмидной стабильности. Эта цифра была изменена с Wein et al.8Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5: Представительный анализ плазмидной конформации. Визуализация модели плазмид pCON. Визуализирована необработанная плазмидная ДНК сразу после извлечения, линейной плазмидной ДНК и обработана DNase, которая только режет хромосомную ДНК, а также ферментативно порезанные ДНК (т.е. открытый круг плазмидной ДНК). Линейная плазмида показывает, что все плазмиды имеют одинаковый размер. Удаление хромосомной ДНК и nicking pCON показывает наличие димеров и других мультимер. Эта цифра была изменена с Wein et al.8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
В этом протоколе мы представляем подход, который сочетает в себе методы в молекулярной биологии, экспериментальной эволюции и визуализации ДНК, чтобы исследовать роль плазмидной эволюции для сохранения устойчивости к антибиотикам у бактерий. Хотя представленный подход сочетает в себе методы из различных областей исследований, все прикладные методы являются простыми и могут быть выполнены в стандартной микробиологической лаборатории.
Наиболее важными шагами в протоколе являются построение штамма модели системы, который включает в себя генетическую проверку генотипа плазмид-переноски. Примечательно, что многие плазмиды естественным образом кодируют гены устойчивости к антибиотикам. Таким образом, читатель может пропустить шаг 1 протокола и непосредственно приступить к шагу 2. Далее, эксперименты по эволюции должны включать в себя случайный дизайн реплицитных популяций, чтобы результаты не были предвзятыми положением реплицитных популяций в глубокой скважине. Кроме того, особенно важно тщательно проводить последовательные шаги передачи и разбавления в эксперименте эволюции, так как загрязнение фальсифицировало бы результаты. Наконец, реплики покрытие должно быть проведено с большой осторожностью. Большой размер колонии может быть проблемой, но его можно избежать, инкубируя пластины менее чем за 24 ч. Аналогичным образом, количество колоний на одной пластине может смещения реплики результатов покрытия. Поэтому популяции необходимо разбавлять до покрытия и репликации.
Одним из самых больших преимуществ нашего подхода является то, что это может быть легко воспроизведены без необходимости тяжелого оборудования. Кроме того, еще одним преимуществом реплики покрытия следовать маркер генов является то, что только живые клетки оцениваются, в отличие от потока цитометрии или qPCR, в котором мертвые клетки могут быть оценены как живые. Таким образом, реплика покрытия вводит меньше предвзятости к подсчету плазмид-несущих клеток. Тем не менее, одним из ограничений покрытия реплики может быть размер популяции (т.е. номер ячейки), который можно оценить в одном экспериментальном запуске.
Используя наш подход, мы недавно показали, что плазмидная эволюция стабильности потецекет сохранение генов устойчивости к антибиотикам в бактериях. Таким образом, мы разработали подход в качестве инструмента для последующей плазмид-опосредованной устойчивости настойчивость, которая имеет большое значение для последующей устойчивости с течением времени, особенно в условиях без присутствия антибиотиков.
Авторам нечего раскрывать.
Благодарим Гора Маргаряна за творческую поддержку и техническую помощь. Эта работа была поддержана Грантом молодых ученых в 2017/2018 (награжден TW) и фокус-программой DFG 1819 (Грант No. DA1202/2-1 присужденt tD).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 96-луночные пластины | Starlab | ||
| 96-луночные пластины | Roth | EN07.1 | 2 мл, |
| квадратные 96-луночные пластины (крио) | Starlab | E1702-8400 | Микроразбавляющая трубка система |
| колония счетчик | Stuart | SC6+ | |
| Хлопок бархатная | драпировка магазин | 100% хлопок требуется | |
| Камера для электрофореза | BioRad | Электрофорез с агарозным гелем | |
| Электрофорез Электрофорез | BioRad | 1645070 | Электрофорез из агарозного геля |
| Кюветы для электропорации | BioRad | 1652089 | 0,1 см |
| Электропоратор | BioRad | 1652660 | |
| GeneJet Набор для экстракции геля | Thermo Fisher Scientific | K0832 | PCR набор для очистки фрагментов |
| GeneJet Plasmid Miniprep kit | Thermo Fisher Scientific | K0503 | Набор для экстракции плазмид |
| Gibson Assembly | England Biolabs | E2611S | |
| Инкубатор | Thermo Fisher Scientific | 50125852 | |
| Инкубатор (шейкер для тарелок) | Инкубатор Heidolph | 1000 | |
| (шейкер) | Нью-Брансуик Scientific | Innova 44 | |
| Петли инокуляции | Sigma-Aldrich | ||
| Многоканальные пипеты | Eppendorf | 3125000052, 3125000028 | |
| Многоканальные пипеты | Capp | ME8-1250R | |
| NanoDrop 2000/2000c | Thermo Fisher Scientific | ND2000 | |
| Олигонуклеотиды | Eurofines | ||
| Чашки Петри Sigma-Aldrich | |||
| Phusion Polymerase | Thermo Fisher Scientific | F533S | |
| Пипетки | Eppendorf | 3123000012, 3123000098, 3123000055, 3123000063, | |
| фермент PlasmidSafe | Эпицентр | 10059400 | |
| Реакционные пробирки | Eppendorf | 30125150 | |
| Реплика блока и металлического кольца | VWR | 601-3401 | Цилиндр из ПВХ 69 мм; кольцо 102см |
| Ферменты Регенерация | BioRad | ||
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение