$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Yukarıda tarif edildiği gibi, persister hücrelerin tek hücreli fenotipik analizi için kullanılan suşlar, MOPS gliserol% 0.4 oranında besiyerinde karakterize edilmiştir. OD600nm'nin zaman içinde izlenmesi, wt ve hupA-mCherry suşları arasında bir fark göstermedi (Şekil 1). Bu, HU-mCherry füzyon proteininin ekspresyonunun bu koşullarda büyümeyi etkilemediğini göstermektedir. Başlangıçta 0.01'lik bir OD600 nm'de aşılanan her iki suşun bakteri hücreleri, aşılamadan sonra üstel faza ±8 saat ulaştı.
OFX'in MIC'si standartlaştırılmış yöntemlerle belirlendi (burada, seri agar seyreltmesi)24. MIC, görünür bir büyümenin tespit edilmediği minimum konsantrasyon olarak tanımlanır. Her iki suş için OFX'in MIC'si 0.06 μg · mL−1 olarak belirlenmiştir, bu da hupA-mCherry füzyonunun izojenik wt suşu ile karşılaştırıldığında OFX'e duyarlılık üzerinde hiçbir etkisi olmadığını göstermektedir (Şekil 2).
Ayrıca, ölümcül bir OFX tedavisinin (83 kat MIC) bu çalışmada kullanılan her iki suşun yaşayabilirliği üzerindeki etkisini belirledik. Canlı hücre sayısı OFX maruziyeti ile zamanla azaldığından, bakteri kültürlerinin seyreltmelerinin plaka başına 30 ila 300 koloniye ulaşmak için uygun şekilde ayarlanması gerekir. Zaman içinde uygun seyreltmeleri belirlemek için, çok kanallı bir pipet kullanılarak kare Petri kaplarına 0 ila 10−7 seri 10 kat seyreltme 10 μL arasında bir nokta testi yapıldı. Uygun seyreltmeler, izole klonların görülebildiği yerlerdi (örneğin, t0 = 10−5, t1h = 10−4/10−3, t4h = 10−2/10−1) (Şekil 3).
Nokta tahlili, OFX aracılı öldürmenin kinetiği hakkında fikir edinmek için kolay bir yöntem olsa da, öldürme dinamiklerini doğru bir şekilde belirlemekte başarısız olur. OFX ile tedavi edilen üstel olarak büyüyen hücrelerin yaşayabilirliği zaman öldürme testi ile izlendiğinde, tipik bir bifazik eğri gözlenmiştir (Şekil 4). Eğrinin ilk eğimi, kalıcı olmayan popülasyonun hızlı bir şekilde öldürülmesini yansıtır (kırmızı kesikli çizgi). Burada test edilen koşullarda, hücrelerin% 99.9'una kadarı, OFX varlığında 3 saat sonra koloni oluşturamamıştır. Öldürmenin bu ilk aşamasını, ilaca toleranslı kalıcı hücrelerin varlığını ortaya koyan daha yavaş bir öldürme oranı (mavi kesikli çizgi) gösteren ikinci bir aşama izler. Test edilen koşullarda, persister faz, OFX ilavesinden yaklaşık 3 saat sonra başladı ve kalıcı fenotipleri araştırmak için hücreleri 3 saatten daha uzun süre OFX'e maruz bırakmanın gerekliliğini vurguladı. Önemli olarak, zaman öldürme eğrisi, hupA-mCherry füzyon proteininin zaman öldürücü kinetik üzerinde hiçbir etkisi olmadığını göstermektedir. Bu nedenle, translasyonel floresan füzyonunu kodlayan suş, floresan mikroskobu kullanarak persistan hücreleri izlemek için kullanılabilir.
Ayrıca, kalıcılık fenomenini tek hücre düzeyinde araştırmaya devam ettik. Bunu yapmak için, hupA-mCherry suşu, belirli bir ROI üzerinde hızlandırılmış mikroskopi gerçekleştirirken orta koşulların (burada, büyüme, tedavi ve iyileşme) değişmesine izin veren mikroakışkan bir plakaya sokuldu. Mikroakışkan deneyin ilk adımında, mikroakışkan cihaza sokulan hücreler büyüme ortamı (MOPS gliserol% 0.4) ile perfüze edildi ve ~ 2 saatlik bir üretim süresine bölündü (Şekil 5 ve Şekil 6). Büyümenin bu ilk aşaması, hücrelerin OFX tedavisinden önce canlı ve aktif olarak bölündüğünü gösterir.
Büyümenin bu ilk aşamasından sonra, hücreler 6 saat boyunca 5 μg · mL-1 OFX ile desteklenen büyüme ortamı ile perfüze edildi. Antibiyotik hücrelere ulaşır ulaşmaz hücre bölünmesi bloke edildi (Şekil 5 ve Şekil 6). 6 saatlik OFX tedavisinden sonra, hücreler taze ortam ile perfüze edildi. Hücrelerin büyük çoğunluğu büyümeye devam edemezken (Şekil 5 ve Şekil 6), küçük bir bakteri alt popülasyonu filamentli hücreleri uzatabilir ve üretebilirdi25. OFX tedavisinden sonra bölünebilen ve canlı yavru hücreler üretebilen bu hücreler, persister hücreler olarak tanımlanabilir.
Bu kurulum, tedavi öncesinde, sırasında ve sonrasında persister hücrelerin görselleştirilmesine izin verdiğinden, sadece iyileşme aşamasında persister fenotip hakkında değil, aynı zamanda persister hücrelerin tedaviden önceki fizyolojik durumu hakkında da bilgi sağlar (Şekil 6). Test edilen koşullarda, persister hücreler OFX tedavisinden önce persister olmayan hücrelere benzer şekilde bölünmüştür, bu da gözlenen persister hücrelerin uykuda olan bir alt popülasyondan kaynaklanmadığını göstermektedir (Şekil 6)25.
İyileşme aşamasında persister hücrelerin hücre uzunluğu analizi, her filamentin belirli bir uzama oranına sahip olduğunu ortaya koymuştur. İlk bölünmeden önce her bir persister tarafından ulaşılan hücre uzunluğu, bir kalıcıdan diğerine farklılık gösteriyordu. Benzer şekilde, ilk bölünme olayının zamanlaması oldukça heterojendi (Şekil 6). Bölünen persister filament, çoğunlukla tedavi edilmemiş hücrelere benzer şekilde büyümeye ve bölünmeye başlayan çoklu yavru hücreler üretti (Şekil 7). Filamentin ardışık bölünmesi daha sonra hücre uzunluğunda ilerleyici bir azalmaya neden oldu ve sonuçta OFX tedavisinden öncekine benzer hücre uzunluğuna sahip yavru hücrelere yol açtı (Şekil 6 ve Şekil 7B). Hücrelerin büyük çoğunluğu OFX çıkarılmasından sonra filamentasyonu indükleyemedi. Bu büyük hücre popülasyonu ölü hücrelere karşılık gelir (Şekil 5 ve Şekil 6).
Nükleoid ile ilişkili protein HU'nun floresan füzyonu, nükleoid22'nin dinamiklerinin görselleştirilmesine izin verir. Hücre içindeki HU-mCherry'nin toplam floresan yoğunluğunun analizi,DNA içeriği 22,25 için bir vekil olarak kullanılabilir. Büyüme fazı sırasında (OFX tedavisinden önce), toplam mCherry floresan yoğunluğu, hücre döngüsü sırasında kromozom replikasyonu ve ayrışma dinamiklerini yansıtacak şekilde değişmiştir (Şekil 8). OFX ilavesinden sonra, mCherry floresansı, çift sarmallı DNA kırılmalarının28 oluşumu ile indüklendiği gösterilen nükleoid sıkışmasının göstergesi olan orta hücrede artmıştır (Şekil 5). Çift sarmallı DNA kırılmaları, tip II topoizomeraz DNA-giraz ve topoizomeraz IV 29,30'u bozan OFX'in etki mekanizmasının bir sonucudur. E. coli'de DNA-jiraz, OFX 29,30'un birincil hedefidir. OFX, hedefini çift iplikli geçiş mekanizmasının kritik bir adımına bağlayarak, parçalanmış DNA iplikçiklerinin küme düşmesini engeller ve sonuçta çift sarmallı DNA kırılmalarının30'un salınmasına yol açar. Yukarıda tarif edildiği gibi, OFX tedavisine persistan hücreler iyileşme sırasında filamentlenmeye başladı25 (Şekil 6). Hücre uzunluğundaki artış, toplam mCherry floresan yoğunluğundaki bir artışla korelasyon gösterdi, bu da replikasyonun yeniden başlatılmasını ve filament25'teki nükleoid bolluğundaki artışı yansıtıyordu (Şekil 7a ve Şekil 8). Ölü hücreler için, toplam mCherry floresan yoğunluğu, tedavi sırasında ve iyileşme aşamasında sabit kalmıştır, bu da bu hücrelerin OFX çıkarıldıktan sonra kromozomlarını kopyalayamadıklarını göstermektedir (Şekil 8). E. coli HU-mCherry hücrelerinin ofloksasin tedavisi öncesinde, sırasında ve sonrasında mikroakışkan videosu (Video 1) de gösterilmiştir.

Şekil 1: Wt ve hupA-mCherry E. coli suşlarının büyüme izlemesi. Optik yoğunluk izleme (OD600 nm) wt (siyah) ve hupA-mCherry (kırmızı). Gölgeler ve kesikli çizgiler, biyolojik üçlülerin standart sapmalarını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: wt ve hupA-mCherry E. coli suşları için OFX MIC'sinin belirlenmesi. Wt () ve hupA-mCherry (●) LB ortamında yetiştirildi ve OFX içeren LB agar'ın seri seyreltmelerinde 2 μL tespit edildi (♦ her panelde μg · mL− 1 cinsinden belirtilen konsantrasyon). Büyüme inhibisyonu minimum 0.06 μg · mL−1'de görülebilir. Şekil, biyolojik üçlülerin temsili bir deneyidir. Ölçek çubuğu = 1 cm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: OFX'e maruz kaldıktan sonra wt ve hupA-mCherry E. coli suşlarının spot analizi. (A) wt ve (B) hupA-mCherry suşları, protokolde (bölüm 3) tarif edildiği gibi% 0.4 MOPS gliserol içinde yetiştirildi ve üstel olarak büyüyen hücreler (OD600 nm = 0.3) 5 μg · mL − 1 OFX ile muamele edildi. T0, OFX'in eklenmesinden önceki zaman noktasına karşılık gelir. T1, T2, T3, T4, T5 ve T6, OFX ilavesinden sonra 1-6 saate karşılık gelir. Şekil, biyolojik üçlülerin temsili bir deneyidir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: OFX'e maruz kaldıktan sonra wt ve hupA-mCherry E. coli suşlarının zaman öldürme testi. Wt () ve hupA-mCherry (●) suşları, protokolde (bölüm 4) tarif edildiği gibi% 0.4 MOPS gliserol içinde yetiştirildi ve üstel olarak büyüyen hücreler (♦ OD600 nm = 0.3) 5 μg · mL − 1 OFX ile muamele edildi. Kesikli çizgiler, hassas ve kalıcı alt popülasyonlara karşılık gelen ilk "hızlı" (kırmızı) öldürme fazını ve ikinci "yavaş" (mavi) öldürme fazını gösterir (sırasıyla T0 ve T2 arasındaki doğrusal regresyon ile elde edilir) ve ayrıca T3 ve T6 arasında). Hata çubukları, biyolojik üçlülerin standart sapmalarını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Mikroakışkan aletler kullanılarak OFX persister ve ölü hücrelerin temsili görüntüleri. HupA-mCherry suşu ile gerçekleştirilen mikroakışkan deneyin ilgili zaman noktalarını gösteren temsili mikroskopi görüntüleri (gri renkte faz kontrastı, kırmızı renkte HU-mCherry sinyali). Etiketli hupA-mCherry'yi ifade eden hücreler mikroakışkan bir plakada (burada, 4 saat) büyütüldü, bunu bir OFX mücadelesi (5 μg · mL−1) izledi. OFX varlığında 6 saat sonra, hücreler taze ortam ile perfüze edildi ve kalıcı hücrelerin iyileşmesine izin verildi. OFX tedavisi sırasında ve OFX'in çıkarılmasından sonra persister hücre ve onun soy hücreleri sırasıyla yeşil ve mavi renkle vurgulanır. İlgili zaman noktaları her panelde belirtilir. Ölçek çubuğu = 5 μm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Kalıcı ve ölü hücrelerin uzunluğunun mikroskopi hızlandırılmış analizi. Ölü hücrelerin (kırmızı, n = 109) ve kalıcı hücrelerin (gri, n = 13) hücre uzunluğu analizi. OFX işleminin başlangıcı (5 μg · mL−1) kırmızı kesikli çizgi (5 saat) ile gösterilir ve OFX çıkarılması mavi kesikli çizgi ile gösterilir. İç kısım, OFX ilavesinden önceki büyüme aşamasına karşılık gelir. Deneyler üçlü olarak gerçekleştirildi. Gölgeler ve kesikli çizgiler ölü hücre popülasyonu için standart sapmaları gösterir (n = 109). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: OFX'e temsili bir kalıcının mikroskopi hızlandırılmış analizi. (A) OFX'in çıkarılmasından sonraki 8.5 saat boyunca filament bölünmeleri tarafından üretilen temsili bir OFX persisterinin ve kızı hücrelerinin kimografı (mikroakışkan deneyin başlangıcından 18.5 saat sonra, 4 saatlik büyüme, 6 saatlik 5 μg · mL−1 OFX tedavisi ve OFX çıkarılmasından sonra 8.5 saatlik iyileşmeden oluşan). Bir kare 15 dakikaya karşılık gelir. Ölçek çubuğu = 5 μm. (B) A'daki kalıcı kimograftan üretilen maske. İzlenen kalıcı hücre mavi bir anahat ile gösterilir ve yavru hücreler farklı renklerle vurgulanır. (C) B'den üretilen kalıcı hücre soyunun şematik gösterimi. Renk kodlaması B ile aynıdır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Temsili persister ve ölü hücrelerin hücre uzunluğu ve mCherry floresan analizi. Mikroakışkan hızlandırılmış deney sırasında temsili bir persisterin (katı siyah ve kırmızı çizgiler) ve temsili bir ölü hücrenin (kesikli siyah ve kırmızı çizgi) hücre uzunluğunun (sol eksen) ve toplam HU-mCherry floresan yoğunluğunun (rastgele birimlerle gösterilen sağ eksen) analizi. OFX işleminin başlangıcı (5 μg·mL−1) kırmızı kesikli çizgiyle, OFX giderimi ise mavi kesikli çizgiyle gösterilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Video 1: E. coli HU-mCherry hücrelerinin ofloksasin tedavisinden önce, sırasında ve sonrasında mikroakışkan videosu. HU-mCherry hücrelerini gösteren mikroakışkan hızlandırılmış görüntüleme. Hücreler MOPS gliserolde% 0.4 oranında 4 saat boyunca büyütüldü. 6 saatlik OFX tedavisinden sonra (5 μg · mL−1), antibiyotiksiz ortam, kalıcı hücrelerin iyileşmesine izin vermek için mikroakışkan plakaya perfüze edildi. Ölçek çubuğu = 5 μm. Zaman (dakika cinsinden) belirtilir. Büyüme ve iyileşme aşamaları "MOPS- Gly. %0.4" ve "OFX 5 μg/mL" ile OFX tedavisi. Bu Videoyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
| 10x MOPS |
| Stok çözümü | 1 L 10x MOPS için stok çözeltisi hacmi | 10x MOPS bazında nihai konsantrasyon |
| MOPS asit | 1 M (KOH kullanılarak pH 7,4'e ayarlanır) | 400 mL | 0,4 milyon |
| Trikin | 1 M (KOH kullanılarak pH 7,4'e ayarlanır) | 40 mL | 0,04 milyon |
| FeSO4.7H2O | 0,01 milyon | 10 mL | 0.0001 milyon |
| NH4Cl | 1,9 milyon | 50 mL | 0,095 milyon |
| K2S04 | 0.276 milyon | 10 mL | 0,00276 milyon |
| CaCl2.2H 2O | 0.0005 milyon | 10 mL | 0,000005 milyon |
| MgCl 2.6H2O | 0,528 milyon | 10 mL | 0,00528 milyon |
| Arjantin | doğrudan ekle 29,2 g | | 0,5 milyon |
| Damıtılmış su | | 460 mL | |
| Mikro besinler 1000x (bakınız Tablo 2) | | 10 mL | |
Tablo 1: 10x MOPS'nin bileşimi.
| Mikro besinler 1000x |
| Mikro besinlerde konsantrasyon 1000x stok çözeltisi | 10x MOPS bazında nihai konsantrasyon |
| (NH4)6Mo7O24.4H2O | 0,000003 M | 0.00000003 M |
| H3 BO3 | 0.0004 milyon | 0,000004 M |
| CoCl2.6H 2O | 0,00003 milyon | 0,0000003 M |
| CuSO4.5H 2O | 0,00001 milyon | 0,0000001 M |
| MnCl2.4H 2O | 0,00008 milyon | 0,0000008 M |
| ZnSO.7H2O | 0,00001 milyon | 0,0000001milyon |
Tablo 2: 1.000x mikro besin maddesinin bileşimi.
| MOPS glikoz% 0.4 veya MOPS gliserol 0.4% |
| Stok çözümü | 1 L için hacim MOPS glikoz % 0.4 veya MOPS gliserol % 0.4 | MOPS glikoz% 0.4 veya MOPS gliserl% 0.4'teki nihai konsantrasyon |
| 10x MOPS | Tablo 1'e bakınız | 100 mL | |
| K2HPO4 | 0,132 milyon | 10 mL | 0,00132 milyon |
| Glikoz (MOPS glikoz için% 0.4) | (100 mL damıtılmış suda 20 g) | 20 mL | 0.40% |
| Gliserol (MOPS gliserol için% 0.4) | %≤99 | 4 mL | 0.40% |
| Damıtılmış su | | MOPS glikoz için 870 mL, %0,4 veya MOPS gliserol için 886 mL, %0,4 | |
Tablo 3: MOPS glukoz% 0.4 ve MOPS gliserol bileşimi% 0.4.