The authors acknowledge Howard Berg for the gift of the bead-tracking microscope/photomultipliers and the Texas A&amp;M Engineering Experiment Station for funds.

1. Zellpräparation <ol><li> Wachsen über Nacht Kulturen der gewünschten Stamm der klebrigen fliC Allel 15,22 in Trypton - Bouillon tragen (TB, 1% Pepton, 0,5% NaCl) , gefolgt von der Inokulation bei 1: 100 Verdünnung in 10 ml frischem TB. Die Kultur bei 33 ° C in einem Schüttelinkubator bis OD 600 = 0,5. </li><li> Pelletieren Sie die Zellen bei 1.500 xg für 5 bis 7 min und re-dispergieren das Pellet kräftig in 10 ml filtersterilisiert Motilität Puffer (MB; 10 mM Phosphatpuffer: 0,05-0,06 M NaCl, 10 -4 M EDTA, 1 &amp; mgr; M Methionin, pH 7,0). </li><li> Wiederholen Sie Schritt 1.2 zwei weitere Male und das endgültige Pellet in 1 ml MB wieder zu dispergieren. </li><li> Scher die Suspension durch durch Polyethylenschlauch verbunden mit 21 bis 23 Manometeradaptern hin und her ~ 75 mal zwischen zwei Spritzen vorbei (7 bis 12 cm lang, 0,58 mm Innendurchmesser). Begrenzen Sie die Gesamtzeit für die auf 30 Scheren - 45 s. </li><li> Zentrifugieren Sie die geschert Zellen bei 1.500 × g für 5-7 Minuten und wieder zu dispergieren diePellet in 100-500 ul MB. </li></ol> 2. Schieben Vorbereitung <ol><li> Bereiten Sie eine Imaging-Kammer durch zwei doppelseitige Klebebänder zwischen einem Deckglas zwischen sich und einem Objektträger. Für die Chemotaxis-Assays einsetzen jede mikrofluidischen Kammer, die den Austausch von MB und chemischen Stimulanzien ermöglicht. </li><li> 0.01% Poly-L-Lysin-Lösung in der Kammer und nach 5 min sanft spülen Sie die Oberflächen mit MB (80 - 100 ul). </li><li> Werden 40 &amp; mgr; l der Zellsuspension in die Kammer und damit ausreichend Zeit für die Befestigung an der Glasoberfläche (7 - 8 min). Ausfließen unstuck Zellen durch Zugabe von 100 &amp; mgr; l MB auf einer Seite der Kammer, während die Lösung mit einem Filterpapier von der anderen Seite wicking. </li><li> In 10 bis 15 &amp; mgr; l von Latexkügelchen in die Kammer und damit die angemessene Zeit Perlen absetzen und zu den Zellen befestigen (7 - 8 min). Spülen Sie vorsichtig mit 100 &amp; mgr; l MB, wie 2.3 in Schritt beschrieben, Perlen zu entfernen unstuck. Verwenden Sie eine Reihe von Perle-sizes für die Experimente so lange, wie ein guter Kontrast zur Verfügung steht. </li></ol> 3. Bead-Tracking <ol><li> Legen Sie die Probe auf einem Mikroskoptisch und scannen die Oberfläche für die Perlen an Motoren angebracht. Verwenden Sie ein 40X Phase Ziel Beobachtungen zu machen, obwohl Phasenmikroskopie nicht notwendig ist. Alternativ verwenden Hellfeld-Bildgebung, solange ein ausreichender Kontrast aufrechterhalten wird, um deutlich eine helle Perle auf einem dunklen Hintergrund zu unterscheiden. </li><li> Sobald ein Wulst ausgewählt wurde, bewegen die Bühne seitlich den Wulst in einem vorbestimmten Winkel zu positionieren , wie in 1B gezeigt. Position beads an derselben Ecke zu gewährleisten, dass die Drehrichtung des Wulstes richtig bekannt ist. Die ideale Perle Bahn ist etwa kreisförmig, sondern elliptisch Bahnen sind zulässig. </li><li> Pflegen die Abtastfrequenz höher ist als das Doppelte der Drehfrequenz des Motors Fehler mit aliasing zugeordnet zu vermeiden. In dieser Arbeit, einen Motor verwenden, der rotierte bei50 Hz und Probe bei Frequenzen, die 10-mal höher (500 Hz) sind, ein glattes Signal zu erhalten. </li></ol> 4. Datenanalyse <ol><li> Center und die PMT - Ausgangsspannungen und korrekte Elliptizität in den Trajektorien mit Affintransformationen skaliert , wenn 23 benötigt. Verwenden Sie ein Power-Spektrum - Analyse Drehraten 17 zu bestimmen. </li><li> Bestimmen Polarwinkel, θ (t) = atan (y (t) / x (t)). Bestimmung der Schwankungen der Motordrehzahlen und Schalt über die Zeit durch ω Berechnungs <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55240/55240eq1.jpg" /> 14. </li><li> Verwenden einen Medianfilter die Motordrehzahldaten zu glätten. Ein Filterfenster über zwei volle Umdrehungen wird 23,24 empfohlen. </li></ol>

<ol>
	<li>Emody, L., Kerenyi, M., Nagy, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virulence+factors+of+uropathogenic+Echerichia+coli.">Virulence factors of uropathogenic Echerichia coli.</a> Int J Antimicrob. Ag. 22, 29-33 (2003).</li><li>Lane, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+motility+in+the+colonization+of+uropathogenic+Escherichia+coli+in+the+urinary+tract.">Role of motility in the colonization of uropathogenic Escherichia coli in the urinary tract.</a> Infect Immun. 73 (11), 7644-7656 (2005).</li><li>Kao, C. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+complex+interplay+among+bacterial+motility+and+virulence+factors+in+different+Escherichia+coli+infections.">The complex interplay among bacterial motility and virulence factors in different Escherichia coli infections.</a> Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 33 (12), 2157-2162 (2014).</li><li>Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+rotary+motor+of+bacterial+flagella.">The rotary motor of bacterial flagella.</a> Annu Rev Biochem. 72, 19-54 (2003).</li><li>McCarter, L., Hilmen, M., Silverman, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flagellar+Dynamometer+Controls+Swarmer+Cell+Differentiation+of+V.+parahaemolyticus.">Flagellar Dynamometer Controls Swarmer Cell Differentiation of V. parahaemolyticus.</a> Cell. 54 (3), 345-351 (1988).</li><li>Lele, P. P., Hosu, B. G., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+mechanosensing+in+the+bacterial+flagellar+motor.">Dynamics of mechanosensing in the bacterial flagellar motor.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (29), 11839-11844 (2013).</li><li>Gode-Potratz, C. J., Kustusch, R. J., Breheny, P. J., Weiss, D. S., McCarter, L. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+sensing+in+Vibrio+parahaemolyticus+triggers+a+programme+of+gene+expression+that+promotes+colonization+and+virulence.">Surface sensing in Vibrio parahaemolyticus triggers a programme of gene expression that promotes colonization and virulence.</a> Mol Microbiol. 79 (1), 240-263 (2011).</li><li>Kearns, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+field+guide+to+bacterial+swarming+motility.">A field guide to bacterial swarming motility.</a> Nat Rev Microbiol. 8 (9), 634-644 (2010).</li><li>Belas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilms,+flagella,+and+mechanosensing+of+surfaces+by+bacteria.">Biofilms, flagella, and mechanosensing of surfaces by bacteria.</a> Trends Microbiol. 22 (9), 517-527 (2014).</li><li>Silverman, M., Simon, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flagellar+rotation+and+the+mechanism+of+bacterial+motility.">Flagellar rotation and the mechanism of bacterial motility.</a> Nature. 249, 73-74 (1974).</li><li>Block, S. M., Segall, J. E., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptation+Kinetics+in+Bacterial+Chemotaxis.">Adaptation Kinetics in Bacterial Chemotaxis.</a> J Bacteriol. 154 (1), 312-323 (1983).</li><li>Segall, J. E., Block, S. M., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+comparisons+in+bacterial+chemotaxis.">Temporal comparisons in bacterial chemotaxis.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 83, 8987-8991 (1986).</li><li>Blair, D. F., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Restoration+of+torque+in+defective+flagellar+motors.">Restoration of torque in defective flagellar motors.</a> Science. 242 (4886), 1678-1681 (1988).</li><li>Ryu, W. S., Berry, R. M., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torque-generating+units+of+the+flagellar+motor+of+Escherchia+coli+have+a+high+duty+ratio.">Torque-generating units of the flagellar motor of Escherchia coli have a high duty ratio.</a> Nature. 403, 444-447 (2000).</li><li>Yuan, J., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resurrection+of+the+flagellar+rotary+motor+near+zero+load.">Resurrection of the flagellar rotary motor near zero load.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (4), 1182-1185 (2008).</li><li>Yuan, J., Fahrner, K. A., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Switching+of+the+bacterial+flagellar+motor+near+zero+load.">Switching of the bacterial flagellar motor near zero load.</a> J Mol Biol. 390 (3), 394-400 (2009).</li><li>Sowa, Y., Hotta, H., Homma, M., Ishijima, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torque-speed+Relationship+of+the+Na+-driven+Flagellar+Motor+of+Vibrio+alginolyticus.">Torque-speed Relationship of the Na+-driven Flagellar Motor of Vibrio alginolyticus.</a> J Mol Biol. 327 (5), 1043-1051 (2003).</li><li>Xing, J., Bai, F., Berry, R., Oster, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torque-speed+relationship+of+the+bacterial+flagellar+motor.">Torque-speed relationship of the bacterial flagellar motor.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (5), 1260-1265 (2006).</li><li>Meacci, G., Tu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+the+bacterial+flagellar+motor+with+multiple+stators.">Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (10), 3746-3751 (2009).</li><li>Lele, P. P., Roland, T., Shrivastava, A., Chen, Y. H., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+flagellar+motor+of+Caulobacter+crescentus+generates+more+torque+when+a+cell+swims+backwards.">The flagellar motor of Caulobacter crescentus generates more torque when a cell swims backwards.</a> Nat Phys. 12 (2), 175-178 (2016).</li><li>Lele, P. P., Shrivastava, A., Roland, T., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+thresholds+in+bacterial+chemotaxis.">Response thresholds in bacterial chemotaxis.</a> Sci Adv. 1 (9), e1500299 (2015).</li><li>Berg, H. C., Turner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torque+Generated+by+the+Flagellar+Motor+of+Escherichia+coli.">Torque Generated by the Flagellar Motor of Escherichia coli.</a> Biophys J. 65, 2201-2216 (1993).</li><li>Bai, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conformational+Spread+as+a+Mechanism+for+Cooperativity+in+the+Bacterial+Flagellar+Switch.">Conformational Spread as a Mechanism for Cooperativity in the Bacterial Flagellar Switch.</a> Science. 327, 685-689 (2010).</li><li>Reid, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+maximum+number+of+torque-generating+units+in+the+flagellar+motor+of+Escherichia+coli+is+at+least+11.">The maximum number of torque-generating units in the flagellar motor of Escherichia coli is at least 11.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 8066-8071 (2006).</li><li>Chen, X., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torque-Speed+Relationship+of+the+Flagellar+Rotary+Motor+of+Escherichia+coli.">Torque-Speed Relationship of the Flagellar Rotary Motor of Escherichia coli.</a> Biophys J. 78, 1036-1041 (2000).</li><li>Turner, L., Caplan, S. R., Berg, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature-induced+switching+of+the+bacterial+flagellar+motor.">Temperature-induced switching of the bacterial flagellar motor.</a> Biophys J. 71, 2227-2233 (1996).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Um tethered Wulst-Tracking und korrekte Schätzung der Motor-Drehmomente zu erleichtern, sollten die folgenden Informationen überprüft werden. Wenn diese Messungen mit flagellated Zellen durchgeführt wird, Scherung ist ein kritischer Schritt. Shearing reduziert die Flagellenfilamenten auf eine bloße stub, wodurch sichergestellt wird, dass die viskose Last auf dem Motor zu dem Wulst überwiegend aus und kann innerhalb von 10% Fehler 16 geschätzt werden. Shearing verbessert auch die Chancen mit dicht verteilten Exzentrizitäten Kreisbahnen zu finden (&lt;Perlendurchmesser 14). Unangebrachter Scher Ergebnisse in widerspenstigen Trajektorien, welche Fehler in Verfolgung und bei der Berechnung der viskosen Drags Verbindungen sowie zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnisse. Die Verwendung eines Oszilloskops ermöglicht eine schnelle Eliminierung solcher Daten. Da die biomechanischen Eigenschaften von Flagellen Filamente zu erwarten sind mit Arten zu variieren, Scherverfahren wahrscheinlich in t ausreichende Scher benötigen, um sicherzustellen angepasst werden,er Bakterien von Interesse. Ein effektiver Weg, Fehler zu reduzieren mit Scher verbunden ist, ist mit Zellen arbeiten, die die Gene fehlen, die die Glühfaden-Proteine ​​kodieren. Probe Perlen können dann über Anti-Haken-Antikörper direkt an den Haken befestigt werden. Die Suche nach einer Perle, die schwierig sein kann in geeigneter Weise gebunden ist. Dies ist, weil die meisten Perlen in das Blickfeld wird entweder auf die Zellkörper oder die Glasoberfläche aufgeklebt werden. Solche Perlen können leicht scharf abgebildet werden. Andere Perlen erscheinen zu vibrieren oder zu drehen sichtbar mit großen Amplituden oder große Exzentrizitäten (&gt; 1,5 - 2 x Kugeldurchmesser). Diese sind typischerweise tethered Filamente Flagella, die nicht vollständig abgeschert worden oder drehen sich in einer Ebene, die zu der Brennebene geneigt ist. Sampling solcher Perlen werden typischerweise zu höheren Rauschen und Zeitvariationen in viskosen Belastungen können zu einer Unterschätzung der Motoren Momente für eine gegebene Perlengröße. Ein kleiner Bruchteil tethered Kügelchen wird unterziehen ZufallsBewegung; Davon befinden sich lediglich die Brownsche Rotation. Ein Teil der Perlen erscheinen unscharf und kann nicht einfach in den Mittelpunkt gerückt werden. Diese sind am ehesten Motoren sein, die entsprechend angebunden worden sind und die Motoren von Interesse. Zu den Einschränkungen der einmotorigen wie die hier beschriebenen Verfolgungs ist die Unfähigkeit, Hochdurchsatz-Experimente durchzuführen. Ein High-Speed-Kamera, die Bilder ein größerer Bereich von Interesse kann in dieser Hinsicht von Vorteil sein. Andere Einschränkungen beinhalten Fehler, die mit mehreren Signalen aus eng beabstandeter rotierenden Kügelchen in dem Sichtfeld der PMTs entstehen. Schließlich Fehler bei der Bestimmung der richtigen Position des aufgezeichneten Wulstes mit Bezug auf die beiden Photovervielfacher Schlitze wird in ungenauen Schätzung der Schaltdynamik ergeben. Vorteile der hier beschriebenen Einrichtung umfassen die Fähigkeit, die Rotation der Kügelchen über lange Zeiträume zu verfolgen und in Echtzeit. Diesermöglicht eine schnelle Beseitigung von fehleranfälligen Trajektorien, etwas, das vielleicht schwierig, mit ultraschnellen Kameras zu erreichen. Darüber hinaus mit einigen Modifikationen kann dieser Aufbau mit Assays integriert werden entworfen Zellen auf eine Vielzahl von Stimuli zu unterziehen. Kombiniert mit thermoelektrischen Kühl 26 kann die Technik verwendet werden , um die Reaktionen der einzelnen Motoren , um thermische Reize zu messen. Integration mit optischen Pinzetten können die Messungen der Remodellierung der einzelnen Motoren in Reaktion auf mechanische Reize aktivieren, wie kürzlich 6 geschehen ist. Schließlich kann die Anpassung des Motors an chemischen Stimulanzien mit der Verwendung eines geeigneten Perfusionskammer gemessen werden und die Pumpen 11. Eine Mehrheit der bekannten Bakterienarten sind frei beweglich und Flagellen-vermittelte Motilität ist vorherrschend in der Natur. Die Methoden, die hier gezeigt wird erwartet, dass bei der Entwicklung von Einsichten in strukturelle-Umbau und die Anpassungsfähigkeit zu unterstützen, um fortzufahren of der Flagellenmotors.

Flagellenmotoren ermöglichen Zellen durch Drehen Schraubenextrazellulären Filamente zu schwimmen. Der Betrag des Drehmoments des Motors für eine gegebene Länge des Flagellums erzeugen kann (dh die viskose Last) bestimmt die Schwimmgeschwindigkeit. Auf der anderen Seite, seine Fähigkeit, die Drehrichtung steuert, die Zellmigration in Reaktion auf Chemikalien, ein Verfahren bekannt, wie Chemotaxis zu wechseln. Chemotaxis und Beweglichkeit sind Virulenzfaktoren 1-3, Flagellenmotoren wurden 4 über die Jahre gut charakterisierte. Montage Hinweise darauf , nun , dass der Motor als Mechanosensor wirkt - es erkennt , mechanisch das Vorhandensein von festen Substraten 5,6. Diese Fähigkeit hilft wahrscheinlich bei der Auslösung von Oberflächenbesiedlung und Infektionen 5,7. Als Ergebnis, wobei die Mechanismen die Motoroberflächen und initiiert Signalisierungs Sinne sind von Bedeutung 8,9. Der Flagellenmotors kann leicht durch Anbinden der flagell untersucht werdenum auf ein Substrat und das Beobachten Zellrotation. Solche Anbinden wurde zuerst von Silverman und Simon erreicht, der mit einer polyhook Mutante in E. coli und erfolgreich befestigt Haken auf Glassubstrate mit anti-hook Antikörper 10 gearbeitet. Die tethered-Zell-Assay Forschern ermöglicht, die Antworten des Motorschalter in einer Vielzahl von chemischen Stimuli zu studieren. Zum Beispiel Segall et al chemisch gebundenen Zellen mit Hilfe von iontophoretischen Pipetten stimuliert. Die entsprechenden Änderungen in CW bias (der Bruchteil der Zeit Motoren drehen im Uhrzeigersinn CW) ermöglichte es ihnen 11,12 die Kinetik der Anpassung in der Chemotaxis - Netzwerk zu messen. Während die tethered - Zell - Assay in Studium Schalter Reaktionen wirksam war, war es nur in der Lage Einblicke in Motormechanik 13 über einen begrenzten Bereich von viskosen Belastungen zu bieten. Um dieses Problem zu überwinden, Ryu et al gebunden sphärisch, Latexperlen stubs auf Zellen an Oberflächen geklebt Filaments. Die Perlen wurdendann zurückverfolgt Brenn Interferometrie mit schwachen optischen Fallen 14 verwendet wird . Durch die Arbeit mit Perlen unterschiedlicher Größe, könnten Forscher untersuchen den Motor über eine viel breitere Palette von Lasten. Dieser Assay wurde später verbessert durch Yuan und Berg, der einen Photovervielfacher-basierte bead-Verfolgungstechnik mit Laser-Dunkelfeldbeleuchtung in Kombination entwickelt. Ihre Methode ermöglicht Verfolgung von tethered Gold Nanobeads , die so klein waren (~ 60 nm) , dass die externen viskoser Widerstände waren niedriger im Vergleich zu den inneren viskosen Widerstände gegen Rotation 15,16. Dies führte zu den Messungen der maximal erreichbaren Geschwindigkeiten in E. coli (~ 300 Hz). In V. alginolyticus, ähnlich Perle Assays Messungen der Spinngeschwindigkeiten bei Zwischen viskos Lasten (~ 700 Hz) 17 aktiviert. Durch die Aktivierung Messungen der motorischen Reaktionen über den gesamten möglichen Bereich von viskosen Lasten (von Null-Last bis nahen Stall), vorausgesetzt, die Wulst-Assays ein wichtiges Werkzeug, um die biophysikalischen t zu verstehen,orque-Erzeugungsprozess 18,19. Vor kurzem geändert wir den Yuan-Berg - Test optische Pinzette aufzunehmen , die uns präzise mechanische Reize auf einzelne Motoren 6 anwenden aktiviert. Unter Verwendung dieser Technik haben wir gezeigt, daß die Kraftgeneratoren, die den Motor dynamisch sind Mechanosensoren drehen - sie remodellieren in Reaktion auf Änderungen in viskoser Lasten. Es ist möglich, dass solche Load-Sensing-Zelldifferenzierung in Schwärmen Bakterien ausgelöst wird, obwohl die Mechanismen unklar bleiben. Sie ist auch wahrscheinlich , dass die Flagellenmotoren in anderen Spezies sind auch mechanosensitive 20, direkte Beweise fehlen. Hier diskutieren wir die Photomultiplier-basierte (PMT) Ansatz zur Verfolgung der Rotation von Latex - Kügelchen gebunden an Flagellen Fäden 15. Im Vergleich mit ultraschnellen Kameras Verfolgung der Photomultiplier-Aufbau ist vorteilhaft, da es relativ einfach ist, einzelne Perlen in Echtzeit und über lange dura zu verfolgengen. Es ist besonders nützlich , wenn 21 Umbau in Flagellenmotors Komplexe durch Umweltreize seit langer Zeit zu studieren. Obwohl wir Detail Protokolle speziell für E. coli, können sie leicht für das Studium Flagellenmotoren in anderen Arten angepasst werden.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Poly-L-lysine Solution (0.1%)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P8920</td>
			<td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en&#38;region=US</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polybead Microspheres</td>
			<td>Polysciences, Inc.</td>
			<td>7307</td>
			<td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p8920?lang=en&#38;region=US</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 ml Luer Slip Tip Syringe</td>
			<td>Exel Int.</td>
			<td>26048</td>
			<td>http://www.exelint.com/tuberculin_syringes.php</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clay Adams Intramedic Luer-Stub Adapter 23-gauge</td>
			<td>Becton, Dickinson and Company</td>
			<td>427565</td>
			<td>http://www.bd.com/ds/productCenter/ES-LuerStubAdaptors.asp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene tubing</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>59-8325</td>
			<td>http://www.harvardapparatus.com/laboratory-polye-polyethylene-non-sterile-tubing.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomultiplier Tubes</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>R7400U-20</td>
			<td>Spectral response range of 300 to 920 nm, Peak wavelength 630 nm,&#160; 0.78 ns response time&#160; 
			http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/212308/HAMAMATSU/R7400U-20.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3x1 mm precision slits</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>NT39-908</td>
			<td>2 slits mounted at right angles to one another on photomultiplier tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TBS 1032B</td>
			<td>Alternative brands are acceptable. Digital Oscilloscope, TBS 1000B Series, 2 Analogue, 30 MHz, 500 MSPS, 2.5 kpts&#160; 
			http://www.tek.com/oscilloscope/tbs1000b-digital-storage-oscilloscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8 Pole LP/HP Filter</td>
			<td>Krohn-Hite</td>
			<td>3384</td>
			<td>Alternative brands are acceptable. A frequency range from 0.1 Hz to 200 kHz is recommended.&#160;&#160;&#160; 
			http://www.krohn-hite.com/htm/filters/PDF/3384Data.pdf</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optiphot microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>NA</td>
			<td>Any upright or inverted phase microscope can be used. 
			https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=754</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50:50 (R:T) Cube Beamsplitter</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>BS013</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

biophysical characterization of flagellar motor functions

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel in response to a variety of environmental stimuli and are among the triggers for surface colonization and infections. The precise mechanisms by which motors remodel and promote cellular adaptation likely depend on key motor attributes. The photomultiplier-based bead-tracking technique presented here enables accurate biophysical characterization of motor functions, including adaptations in motor speeds and switch-dynamics. This approach offers the advantage of real-time tracking and the ability to probe motor behavior over extended durations. The protocols discussed can be readily extended to study flagellar motors in a variety of bacterial species.

Der Photomultiplier Aufbau ist in 1A gezeigt. Es ist wichtig, dass die PMT von den Kügelchen von Interesse verstreut hohe Empfindlichkeiten über den Bereich von Wellenlängen aufweisen. Die PMT hier beschäftigt arbeiten im sichtbaren und im nahen Infrarot-Bereich, und waren in der Lage Licht von Perlen mit einem Halogenlichtquelle beleuchtet verstreut zu erkennen. Die optimale Lichtverhältnisse und Versorgungsspannungen werden von einer Einrichtung zur anderen variieren. Für die in dieser Arbeit verwendeten Einrichtung, eine PMT - Verstärkung ~ 10. April - 10. MAI erwies sich als ausreichend. Jede Photovervielfacher wurde bedeckt mit Ausnahme eines 3 x 1 mm Schlitz vor dem Fotovervielfacher angeordnet ist. Die Schlitze begrenzen die Region in der Zellprobe aus dem Licht, das die Photovervielfacher treten kann, und die beiden Schlitze sind orthogonal zueinander. Wenn ein rotierender Wulst an der richtigen Stelle (1B) positioniert ist, kommt die Menge an Licht in die Photovervielfacher zunimmt , wenn der Wulstin der Ansicht und nimmt ab, wenn ihre Kreisbahn nimmt es aus der Sicht entfernt. Die Frequenzen der sinusförmigen PMT Spannungsausgänge zeigen die Rotationsgeschwindigkeit und die Phasendifferenzen zwischen den beiden Signalen zeigen die Drehrichtung. Die Verwendung eines Oszilloskops die PMT Ausgänge anzuzeigen ermöglicht die Visualisierung von bead Trajektorien in Echtzeit. Die zeitveränderliche PMT - Signale y (t) und x (t), aus einem repräsentativen Motor sind in 2A gezeigt. Die Orthogonalität der zwei Schlitze führt eine Phasenverzögerung zwischen den beiden Signalen. Die Signalamplituden sind abhängig von der Signal-zu-Rausch-Verhältnis sowie die Exzentrizität der Rotation. Die entsprechenden Trajektorien des Wulstes sind in 2B dargestellt. Ein Histogramm der aus einem repräsentativen Motor in einer cheY gemessenen Geschwindigkeiten - deletierten Stamm ist in 3A gezeigt </strong&gt;. Die Löschung gewährleistet, dass Flagellenmotoren nicht wechseln und drehen sich ausschließlich gegen den Uhrzeigersinn (CCW). Die Durchschnittsgeschwindigkeit von dieser bestimmten Motor betrug 60 Hz und die gemessenen Geschwindigkeiten sind konsistent mit früheren Berichten für mit 1 &amp; mgr; m Perlen gebunden Motoren 25. Der Wulst wurde zuerst in der unteren rechten Ecke positioniert, wie in der schematischen Darstellung in Figur 1B zu sehen. Die entsprechende Winkelgeschwindigkeit ist in 3B (oberes Feld) gezeigt. Die Positionierung des Wulst zum benachbarten unteren linken Ecke führte in Umkehrung des Vorzeichens auf den Motordrehzahlen (unten). ändern, um die beobachteten Drehrichtung des Motors Somit wird der Wulst zu einer benachbarten Ecke bewegt. In dieser Hinsicht sind diagonal gegenüberliegenden Ecken identisch. Es ist daher wichtig, die Position des Wulstes während der Messungen erfahren, um die korrekte Schaltdynamik bestimmen. 3C zeigt wiederholte Übergänge von einem Wildtyp - Motor zwischen den beiden Drehrichtungen. <html> Custom - Codes für Datenerfassungs - Software wurden aus früheren Arbeiten angepaßt 15 die Daten auf einem Computer zu erfassen. Die PMT-Ausgang wurde AC-gekoppelt und Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 100 Hz gefiltert. Echtzeit-Verfolgung durch Verbinden der gefilterten Ausgänge zu einem Oszilloskop aktiviert. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55240/55240fig1.jpg" /> Abbildung 1: Bead-Tracker - Setup. A) Schematische Darstellung des PMT-basierten Tracking - Einrichtung. B) Die ideale Position des Wulstes (schwarze Kugel) relativ zu den zwei orthogonalen Schlitzen. Die Flugbahn wird durch die gepunkteten Linien angedeutet. Die Exzentrizität e ist der Radius der gestrichelten Kreis. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> ove_content &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55240/55240fig2.jpg" /> Abbildung 2: PMT Ausgänge. A) tiefpaßgefilterten Ausgangssignale von den zwei Photomultiplier, nach dem Zentrieren / Skalierung. B) Die Perle Trajektorien aus den PMT erhaltenen Daten abgetastet mehr als 3 s. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55240/55240fig3.jpg" /> Abbildung 3: Bead Trajektorien. A) Histogramm der CCW-only Geschwindigkeiten eines repräsentativen Motors. B) Drehzahlen eines CCW-nur Motor mit rechten unteren Ecke abgebildet (oben). Drehzahlen des gleichen Motors, wenn in der unteren linken Ecke (Bodenplatte) positioniert ist. C) </strong&gt; in einer repräsentativen Motorwildtyp-Switching. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55240/55240fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions at JoVE.com

Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions

Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.

Biophysikalische Charakterisierung von Flagellenmotors Funktionen

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel ...

biophysical-characterization-of-flagellar-motor-functions

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Biology

8.2K Aufrufe.  Texas A&M University. Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.

Serie: Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children &amp; Adults with Near Infrared Spectroscopy

An explosion of functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studies investigating cortical activation in relation to higher cognitive processes, such as language1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, memory11, and attention12 is underway worldwide involving adults, children and infants 3,4,13,14,15,16,17,18,19 with typical and atypical cognition20,21,22. The contemporary challenge of using fNIRS for cognitive neuroscience is to achieve systematic analyses of data such that they are universally interpretable23,24,25,26, and thus may advance important scientific questions about the functional organization and neural systems underlying human higher cognition.
Existing neuroimaging technologies have either less robust temporal or spatial resolution. Event Related Potentials and Magneto Encephalography (ERP and MEG) have excellent temporal resolution, whereas Positron Emission Tomography and functional Magnetic Resonance Imaging (PET and fMRI) have better spatial resolution. Using non-ionizing wavelengths of light in the near-infrared range (700-1000 nm), where oxy-hemoglobin is preferentially absorbed by 680 nm and deoxy-hemoglobin is preferentially absorbed by 830 nm (e.g., indeed, the very wavelengths hardwired into the fNIRS Hitachi ETG-400 system illustrated here), fNIRS is well suited for studies of higher cognition because it has both good temporal resolution (~5s) without the use of radiation and good spatial resolution (~4 cm depth), and does not require participants to be in an enclosed structure27,28. Participants cortical activity can be assessed while comfortably seated in an ordinary chair (adults, children) or even seated in mom s lap (infants). Notably, NIRS is uniquely portable (the size of a desktop computer), virtually silent, and can tolerate a participants subtle movement. This is particularly outstanding for the neural study of human language, which necessarily has as one of its key components the movement of the mouth in speech production or the hands in sign language. 
The way in which the hemodynamic response is localized is by an array of laser emitters and detectors. Emitters emit a known intensity of non-ionizing light while detectors detect the amount reflected back from the cortical surface. The closer together the optodes, the greater the spatial resolution, whereas the further apart the optodes, the greater depth of penetration. For the fNIRS Hitachi ETG-4000 system optimal penetration / resolution the optode array is set to 2cm. 
Our goal is to demonstrate our method of acquiring and analyzing fNIRS data to help standardize the field and enable different fNIRS labs worldwide to have a common background.

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy

Here we describe a data collection and data analysis method for functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS), a novel non-invasive brain imaging system used in cognitive neuroscience, particularly in studying child brain development. This method provides a universal standard of data acquisition and analysis vital to data interpretation and scientific discovery.

Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder &amp; Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie

An explosion of functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studies investigating cortical activation in relation to higher cognitive processes, such as ...

Forschung

Biologie

Preparation of Aplysia Sensory-motor Neuronal Cell Cultures

The nervous system of the marine mollusk Aplysia californica is relatively simple, consisting of approximately 20,000 neurons. The neurons are large (up to 1 mm in diameter) and identifiable, with distinct sizes, shapes, positions and pigmentations, and the cell bodies are externally exposed in five paired ganglia distributed throughout the body of the animal. These properties have allowed investigators to delineate the circuitry underlying specific behaviors in the animal1. The monosynaptic connection between sensory and motor neurons is a central component of the gill-withdrawal reflex in the animal, a simple defensive reflex in which the animal withdraws its gill in response to tactile stimulation of the siphon. This reflex undergoes forms of non-associative and associative learning, including sensitization, habituation and classical conditioning. Of particular benefit to the study of synaptic plasticity, the sensory-motor synapse can be reconstituted in culture, where well-characterized stimuli elicit forms of plasticity that have direct correlates in the behavior of the animal2,3. Specifically, application of serotonin produces a synaptic strengthening that, depending on the application protocol, lasts for minutes (short-term facilitation), hours (intermediate-term facilitation) or days (long-term facilitation). In contrast, application of the peptide transmitter FMRFamide produces a synaptic weakening or depression that, depending on the application protocol, can last from minutes to days (long-term depression). The large size of the neurons allows for repeated sharp electrode recording of synaptic strength over periods of days together with microinjection of expression vectors, siRNAs and other compounds to target specific signaling cascades and molecules and thereby identify the molecular and cell biological steps that underlie the changes in synaptic efficacy.
An additional advantage of the Aplysia culture system comes from the fact that the neurons demonstrate synapse-specificity in culture4,5. Thus, sensory neurons do not form synapses with themselves (autapses) or with other sensory neurons, nor do they form synapses with non-target identified motor neurons in culture. The varicosities, sites of synaptic contact between sensory and motor neurons, are large enough (2-7 microns in diameter) to allow synapse formation (as well as changes in synaptic morphology) with target motor neurons to be studied at the light microscopic level.
In this video, we demonstrate each step of preparing sensory-motor neuron cultures, including anesthetizing adult and juvenile Aplysia, dissecting their ganglia, protease digestion of the ganglia, removal of the connective tissue by microdissection, identification of both sensory and motor neurons and removal of each cell type by microdissection, plating of the motor neuron, addition of the sensory neuron and manipulation of the sensory neurite to form contact with the cultured motor neuron.

Preparation of Aplysia Sensory-motor Neuronal Cell Cultures

Primary cultures of Aplysia sensory-motor neurons provide a model preparation for studying synapse formation and synaptic plasticity in vitro. This video demonstrates the identification and microdissection of sensory and motor neurons from Aplysia ganglia as well as the methods for establishing and maintaining sensory-motor neurons in culture.

Vorbereitung der Aplysia Sensory-Motor neuronalen Zellkulturen

The nervous system of the marine mollusk Aplysia californica is relatively simple, consisting of approximately 20,000 neurons.  The neurons are large (up ...

Paraffin-Embedded and Frozen Sections of Drosophila Adult Muscles

The molecular characterization of muscular dystrophies and myopathies in humans has revealed the complexity of muscle disease and genetic analysis of muscle specification, formation and function in model systems has provided valuable insight into muscle physiology. Therefore, identifying and characterizing molecular mechanisms that underlie muscle damage is critical. The structure of adult Drosophila multi-fiber muscles resemble vertebrate striated muscles 1 and the genetic tractability of Drosophila has made it a great system to analyze dystrophic muscle morphology and characterize the processes affecting muscular function in ageing adult flies 2. Here we present the histological technique for preparing paraffin-embedded and frozen sections of Drosophila thoracic muscles. These preparations allow for the tissue to be stained with classical histological stains and labeled with protein detecting dyes, and specifically cryosections are ideal for immunohistochemical detection of proteins in intact muscles. This allows for analysis of muscle tissue structure, identification of morphological defects, and detection of the expression pattern for muscle/neuron-specific proteins in Drosophila adult muscles. These techniques can also be slightly modified for sectioning of other body parts.

Paraffin-Embedded and Frozen Sections of Drosophila Adult Muscles

Identification of mechanisms underlying muscle damage is crucial. Here we present the histological technique for preparing paraffin-embedded and frozen sections of Drosophila thoracic muscles. This allows analysis of muscle morphology and localization of protein and other muscle cell components.

Paraffin-Embedded-und Gefrierschnitte von Drosophila Adult Muskeln

The molecular characterization of muscular dystrophies and myopathies in humans has revealed the complexity of muscle disease and genetic analysis of ...

Isolation and Biophysical Study of Fruit Cuticles

The cuticle, a hydrophobic protective layer on the aerial parts of terrestrial plants, functions as a versatile defensive barrier to various biotic and abiotic stresses and also regulates water flow from the external environment.1 A biopolyester (cutin) and long-chain fatty acids (waxes) form the principal structural framework of the cuticle; the functional integrity of the cuticular layer depends on the outer 'epicuticular' layer as well as the blend consisting of the cutin biopolymer and 'intracuticular' waxes.2 Herein, we describe a comprehensive protocol to extract waxes exhaustively from commercial tomato (Solanum lycopersicum) fruit cuticles or to remove epicuticular and intracuticular waxes sequentially and selectively from the cuticle composite. The method of Jetter and Sch&auml;ffer (2001) was adapted for the stepwise extraction of epicuticular and intracuticular waxes from the fruit cuticle.3,4 To monitor the process of sequential wax removal, solid-state cross-polarization magic-angle-spinning (CPMAS) 13C NMR spectroscopy was used in parallel with atomic force microscopy (AFM), providing molecular-level structural profiles of the bulk materials complemented by information on the microscale topography and roughness of the cuticular surfaces. To evaluate the cross-linking capabilities of dewaxed cuticles from cultivated wild-type and single-gene mutant tomato fruits, MAS 13C NMR was used to compare the relative proportions of oxygenated aliphatic (CHO and CH2O) chemical moieties.
Exhaustive dewaxing by stepwise Soxhlet extraction with a panel of solvents of varying polarity provides an effective means to isolate wax moieties based on the hydrophobic characteristics of their aliphatic and aromatic constituents, while preserving the chemical structure of the cutin biopolyester. The mechanical extraction of epicuticular waxes and selective removal of intracuticular waxes, when monitored by complementary physical methodologies, provides an unprecedented means to investigate the cuticle assembly: this approach reveals the supramolecular organization and structural integration of various types of waxes, the architecture of the cutin-wax matrix, and the chemical composition of each constituent. In addition, solid-state 13C NMR reveals differences in the relative numbers of CHO and CH2O chemical moieties for wild-type and mutant red ripe tomato fruits. The NMR techniques offer exceptional tools to fingerprint the molecular structure of cuticular materials that are insoluble, amorphous, and chemically heterogeneous. As a noninvasive surface-selective imaging technique, AFM furnishes an effective and direct means to probe the structural organization of the cuticular assembly on the nm-&mu;m length scale.

Aerial plant organs are protected by the cuticle, a supramolecular biopolyester-wax assembly. We present protocols to monitor selective removal of epi- and intracuticular waxes from tomato fruit cuticles on molecular and micro scales by solid-state NMR and atomic force microscopy, respectively, and to assess the cross-linking capacity of engineered cuticular biopolyesters.

Isolierung und biophysikalische Untersuchung der Cuticula

The cuticle, a hydrophobic protective layer on the aerial parts of terrestrial plants, functions as a versatile defensive barrier to various biotic and ...

Selective Capture of 5-hydroxymethylcytosine from Genomic DNA

5-methylcytosine (5-mC) constitutes ~2-8% of the total cytosines in human genomic DNA and impacts a broad range of biological functions, including gene expression, maintenance of genome integrity, parental imprinting, X-chromosome inactivation, regulation of development, aging, and cancer1. Recently, the presence of an oxidized 5-mC, 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC), was discovered in mammalian cells, in particular in embryonic stem (ES) cells and neuronal cells2-4. 5-hmC is generated by oxidation of 5-mC catalyzed by TET family iron (II)/&alpha;-ketoglutarate-dependent dioxygenases2, 3. 5-hmC is proposed to be involved in the maintenance of embryonic stem (mES) cell, normal hematopoiesis and malignancies, and zygote development2, 5-10. To better understand the function of 5-hmC, a reliable and straightforward sequencing system is essential. Traditional bisulfite sequencing cannot distinguish 5-hmC from 5-mC11. To unravel the biology of 5-hmC, we have developed a highly efficient and selective chemical approach to label and capture 5-hmC, taking advantage of a bacteriophage enzyme that adds a glucose moiety to 5-hmC specifically12.
Here we describe a straightforward two-step procedure for selective chemical labeling of 5-hmC. In the first labeling step, 5-hmC in genomic DNA is labeled with a 6-azide-glucose catalyzed by &beta;-GT, a glucosyltransferase from T4 bacteriophage, in a way that transfers the 6-azide-glucose to 5-hmC from the modified cofactor, UDP-6-N3-Glc (6-N3UDPG). In the second step, biotinylation, a disulfide biotin linker is attached to the azide group by click chemistry. Both steps are highly specific and efficient, leading to complete labeling regardless of the abundance of 5-hmC in genomic regions and giving extremely low background. Following biotinylation of 5-hmC, the 5-hmC-containing DNA fragments are then selectively captured using streptavidin beads in a density-independent manner. The resulting 5-hmC-enriched DNA fragments could be used for downstream analyses, including next-generation sequencing.
Our selective labeling and capture protocol confers high sensitivity, applicable to any source of genomic DNA with variable/diverse 5-hmC abundances. Although the main purpose of this protocol is its downstream application (i.e., next-generation sequencing to map out the 5-hmC distribution in genome), it is compatible with single-molecule, real-time SMRT (DNA) sequencing, which is capable of delivering single-base resolution sequencing of 5-hmC.

Described is a two-step labeling process using &beta;-glucosyltransferase (&beta;-GT) to transfer an azide-glucose to 5-hmC, followed by click chemistry to transfer a biotin linker for easy and density-independent enrichment. This efficient and specific labeling method enables enrichment of 5-hmC with extremely low background and high-throughput epigenomic mapping via next-generation sequencing.

Selektive Aufnahme von 5-Hydroxymethylcytosin aus genomischer DNA

5-methylcytosine (5-mC) constitutes ~2-8% of the total cytosines in human genomic DNA and impacts a broad range of biological functions, including gene ...

Single-molecule Imaging of Gene Regulation In vivo Using Cotranslational Activation by Cleavage (CoTrAC)

We describe a fluorescence microscopy method, Co-Translational Activation by Cleavage (CoTrAC) to image the production of protein molecules in live cells with single-molecule precision without perturbing the protein's functionality. This method makes it possible to count the numbers of protein molecules produced in one cell during sequential, five-minute time windows. It requires a fluorescence microscope with laser excitation power density of ~0.5 to 1 kW/cm2, which is sufficiently sensitive to detect single fluorescent protein molecules in live cells. The fluorescent reporter used in this method consists of three parts: a membrane targeting sequence, a fast-maturing, yellow fluorescent protein and a protease recognition sequence. The reporter is translationally fused to the N-terminus of a protein of interest. Cells are grown on a temperature-controlled microscope stage. Every five minutes, fluorescent molecules within cells are imaged (and later counted by analyzing fluorescence images) and subsequently photobleached so that only newly translated proteins are counted in the next measurement.
Fluorescence images resulting from this method can be analyzed by detecting fluorescent spots in each image, assigning them to individual cells and then assigning cells to cell lineages. The number of proteins produced within a time window in a given cell is calculated by dividing the integrated fluorescence intensity of spots by the average intensity of single fluorescent molecules. We used this method to measure expression levels in the range of 0-45 molecules in single 5 min time windows. This method enabled us to measure noise in the expression of the &lambda; repressor CI, and has many other potential applications in systems biology.

Single-molecule Imaging of Gene Regulation In vivo Using Cotranslational Activation by Cleavage CoTrAC

We describe a fluorescence microscopy method, Co-Translational Activation by Cleavage (CoTrAC), to image the production of protein molecules in live cells with single-molecule precision without perturbing the protein's functionality. This method has been used to follow the stochastic expression dynamics of a transcription factor, the &lambda; repressor CI 1.

Einzel-Molekül-Imaging der Genregulation<em&gt; In vivo</em&gt; Verwenden cotranslationalen Aktivierung durch Spaltung (CoTrAC)

We describe a fluorescence microscopy method, Co-Translational Activation by Cleavage (CoTrAC) to image the production of protein molecules in live cells ...

Super-resolution Imaging of the Bacterial Division Machinery

Bacterial cell division requires the coordinated assembly of more than ten essential proteins at midcell1,2. Central to this process is the formation of a ring-like suprastructure (Z-ring) by the FtsZ protein at the division plan3,4. The Z-ring consists of multiple single-stranded FtsZ protofilaments, and understanding the arrangement of the protofilaments inside the Z-ring will provide insight into the mechanism of Z-ring assembly and its function as a force generator5,6. This information has remained elusive due to current limitations in conventional fluorescence microscopy and electron microscopy. Conventional fluorescence microscopy is unable to provide a high-resolution image of the Z-ring due to the diffraction limit of light (~200 nm). Electron cryotomographic imaging has detected scattered FtsZ protofilaments in small C. crescentus cells7, but is difficult to apply to larger cells such as E. coli or B. subtilis. Here we describe the application of a super-resolution fluorescence microscopy method, Photoactivated Localization Microscopy (PALM), to quantitatively characterize the structural organization of the E. coli Z-ring8.
	PALM imaging offers both high spatial resolution (~35 nm) and specific labeling to enable unambiguous identification of target proteins. We labeled FtsZ with the photoactivatable fluorescent protein mEos2, which switches from green fluorescence (excitation = 488 nm) to red fluorescence (excitation = 561 nm) upon activation at 405 nm9. During a PALM experiment, single FtsZ-mEos2 molecules are stochastically activated and the corresponding centroid positions of the single molecules are determined with &lt;20 nm precision. A super-resolution image of the Z-ring is then reconstructed by superimposing the centroid positions of all detected FtsZ-mEos2 molecules.
	Using this method, we found that the Z-ring has a fixed width of ~100 nm and is composed of a loose bundle of FtsZ protofilaments that overlap with each other in three dimensions. These data provide a springboard for further investigations of the cell cycle dependent changes of the Z-ring10 and can be applied to other proteins of interest.

We describe a super-resolution imaging method to probe the structural organization of the bacterial FtsZ-ring, an essential apparatus for cell division. This method is based on quantitative analyses of photoactivated localization microscopy (PALM) images and can be applied to other bacterial cytoskeletal proteins.

Super-Resolution Imaging der Bakterien Abteilung Machinery

Bacterial cell division requires the coordinated  assembly of more than ten essential proteins at midcell1,2. Central  to this process is the formation of ...

Introduction to Solid Supported Membrane Based Electrophysiology

The electrophysiological method we present is based on a solid supported membrane (SSM) composed of an octadecanethiol layer chemisorbed on a gold coated sensor chip and a phosphatidylcholine monolayer on top. This assembly is mounted into a cuvette system containing the reference electrode, a chlorinated silver wire.
After adsorption of membrane fragments or proteoliposomes containing the membrane protein of interest, a fast solution exchange is used to induce the transport activity of the membrane protein. In the single solution exchange protocol two solutions, one non-activating and one activating solution, are needed. The flow is controlled by pressurized air and a valve and tubing system within a faraday cage.
The kinetics of the electrogenic transport activity is obtained via capacitive coupling between the SSM and the proteoliposomes or membrane fragments. The method, therefore, yields only transient currents. The peak current represents the stationary transport activity. The time dependent transporter currents can be reconstructed by circuit analysis.
This method is especially suited for prokaryotic transporters or eukaryotic transporters from intracellular membranes, which cannot be investigated by patch clamp or voltage clamp methods.

Here we present an electrophysiological method based on solid supported membranes with focus on its applications for the characterization of electrogenic membrane transporters.

Einführung in die Festkörperphysik Unterstützte Membrane Basierend Elektrophysiologie

The electrophysiological method we present is based on a solid supported membrane (SSM) composed of an octadecanethiol layer chemisorbed on a gold coated ...

Efficient Production and Purification of Recombinant Murine Kindlin-3 from Insect Cells for Biophysical Studies

Kindlins are essential coactivators, with talin, of the cell surface receptors&#160;integrins and also participate in integrin outside-in signalling, and the control of gene transcription in the cell nucleus. The kindlins are ~75 kDa multidomain proteins and bind to an NPxY motif and upstream T/S cluster of the integrin &#946;-subunit cytoplasmic tail. The hematopoietically-important kindlin isoform, kindlin-3, is critical for platelet aggregation during thrombus formation, leukocyte rolling in response to infection and inflammation and osteoclast podocyte formation in bone resorption. Kindlin-3&#39;s role in these processes has resulted in extensive cellular and physiological studies. However, there is a need for an efficient method of acquiring high quality milligram quantities of the protein for further studies. We have developed a protocol, here described, for the efficient expression and purification of recombinant murine kindlin-3 by use of a baculovirus-driven expression system in Sf9 cells yielding sufficient amounts of high purity full-length protein to allow its biophysical characterization. The same approach could be taken in the study of the other mammalian kindlin isoforms.

Kindlins are fundamental to cell adhesion through integrins but studies of them have been hampered by the difficulty encountered in expressing them recombinantly in bacterial hosts. We describe here methods for their efficient production in baculovirus-infected insect cells.

Effizienten Herstellung und Reinigung von rekombinantem murinem Kindlin-3 von Insektenzellen für biophysikalische Studien

Kindlins are essential coactivators, with talin, of the cell surface receptors&#160;integrins and also participate in integrin outside-in signalling, and ...

Measurement of Metabolic Rate in Drosophila using Respirometry

Metabolic disorders are a frequent problem affecting human health. Therefore, understanding the mechanisms that regulate metabolism is a crucial scientific task. Many disease causing genes in humans have a fly homologue, making Drosophila a good model to study signaling pathways involved in the development of different disorders. Additionally, the tractability of Drosophila simplifies genetic screens to aid in identifying novel therapeutic targets that may regulate metabolism. In order to perform such a screen a simple and fast method to identify changes in the metabolic state of flies is necessary. In general, carbon dioxide production is a good indicator of substrate oxidation and energy expenditure providing information about metabolic state. In this protocol we introduce a simple method to measure CO2 output from flies. This technique can potentially aid in the identification of genetic perturbations affecting metabolic rate.

Measurement of Metabolic Rate in Drosophila using Respirometry

Metabolic disorders are among one of the most common diseases in humans. The genetically tractable model organism D. melanogaster can be used to identify novel genes that regulate metabolism. This paper describes a relatively simple method which allows studying the metabolic rate in flies by measuring their CO2 production.

Biophysikalische Charakterisierung von Flagellenmotors Funktionen

Zusammenfassung

Weitere Videos entdecken

Kapitel in diesem Video

Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder & Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie