Method Article
Com o objetivo de entender os comportamentos dos vários elementos de conjugativo bacterianos DNA sob diferentes condições, descrevemos um protocolo para a detecção de diferenças na frequência de conjugação, com alta resolução, para estimar quanto à eficácia da bactéria doadora inicia a conjugação.
Conjugação bacteriana é um passo importante na transferência horizontal de genes de resistência aos antibióticos através de um elemento conjugativo de DNA. Comparações em profundidade da frequência de conjugação em diferentes condições são necessárias para entender como o elemento conjugativo se espalha na natureza. No entanto, os métodos convencionais para comparar a frequência de conjugação não são apropriados para comparações em profundidade devido o fundo elevado causado pela ocorrência de eventos adicionais conjugação na placa seletiva. Com sucesso, nós reduzimos o fundo através da introdução de um método de (MPN) número mais provável e uma maior concentração de antibióticos para evitar a conjugação em meio líquido seletivo. Além disso, desenvolvemos um protocolo para estimar a probabilidade de como muitas vezes doador células iniciadas conjugação, classificando as células único doador em pools destinatários por fluorescência-ativado da pilha (FACS) de classificação. Usando dois plasmídeos, pBP136 e pCAR1, as diferenças na frequência de conjugação em células de Pseudomonas putida poderiam ser detectados em meio líquido em diferentes taxas de agitação. As frequências de início conjugação foram maiores para pBP136 do que para pCAR1. Usando estes resultados, podemos entender melhor as características de conjugação nestes dois plasmídeos.
Conjugação bacteriana de elementos genéticos móveis, plasmídeo conjugativo e elementos integrativo e conjugativo (CIEM) é importante para a propagação horizontal de informação genética. Pode promover a adaptação e a rápida evolução bacteriana e transmitir genes de resistência multidrogas1,2. A frequência de conjugação pode ser afetada por proteínas codificadas nos elementos conjugativo para mobilização de DNA (MOB) e formação de par acasalamento (MPF), incluindo pili sexual, que é classificados de acordo com a máfia e MPF tipo3,4, 5. Ele também pode ser afetado pelo dador e o receptor par6 e as condições de crescimento das células7,8,9,10,11,(12 taxa de crescimento, densidade celular, superfície sólida ou meio líquido, temperatura, disponibilidade de nutrientes e a presença de cátions). Para entender como os elementos conjugativo se espalhou entre as bactérias, é necessário comparar a frequência de conjugação em detalhe.
A frequência de conjugação entre o dador e o receptor pares após o acasalamento normalmente são estimados por métodos convencionais como segue. (i) em primeiro lugar, o número de colônias de dador e o receptor é contado; (ii) em seguida, as destinatários colônias, que recebeu os elementos conjugativo (= transconjugants) são contadas; (iii) e, finalmente, a frequência de conjugação é calculada dividindo-se a unidades (CFU) formadoras do transconjugants por aqueles do doador e/ou destinatário13. No entanto, ao usar esse método, o fundo é alto devido a eventos de conjugação adicionais que também podem ocorrer nas placas seletivas usadas para obter o transconjugants, quando a densidade celular é alto10. Portanto, é difícil de detectar pequenas diferenças na frequência (abaixo de uma diferença de 10 vezes). Nós recentemente introduziu um método de (MPN) de número mais provável usando meio líquido contendo uma concentração maior de antibióticos. Esse método reduziu o fundo inibindo mais conjugação em meio seletivo; assim, a frequência de conjugação pode ser estimada com maior resolução.
Conjugação pode ser dividida em três etapas: (1) acessório do doador-beneficiário par (2) início de transferência conjugativo e (3) dissociação do par14. Durante as etapas de (1) e (3), não há interação física entre o doador e receptor células; assim, a densidade celular e as condições ambientais podem influenciar estas etapas, embora as características de pili do sexo também são importantes. Passo (2) provavelmente é regulado pela expressão de vários genes envolvidos na conjugação em resposta às mudanças externas, o que poderia ser afetado por várias características do plasmídeo, doador e receptor. Embora a ligação física ou desprendimento dos pares doador-receptor pode ser matematicamente simulado usando uma estimativa de células como partículas, a frequência do passo (2) deve ser medida experimentalmente. Tem havido alguns relatórios sobre observações diretas de como muitas vezes os doadores podem iniciar a conjugação [passo (2)] usando fluorescência microscopia15,16; no entanto, esses métodos não são elevado-throughput porque um grande número de células deve ser monitorado. Portanto, nós desenvolvemos um novo método para estimar a probabilidade da ocorrência de passo (2) usando célula de fluorescência ativada classificação (FACS). Nosso método pode ser aplicado a qualquer plasmídeo, sem identificação dos genes essenciais para conjugação.
1. preparação de um doador com proteína verde fluorescente (GFP)- e canamicina resistência Gene-tag plasmídeos
2. cálculo da frequência de conjugação pelo método MPN
3. preparação para a estimativa da probabilidade da conjugação iniciadas pelo doador
4. estimativa da probabilidade da conjugação iniciadas pelo doador
Comparação da frequência de conjugação pelo método MPN
No nosso relatório anterior, comparamos as frequências de conjugação de pBP136::gfp e pCAR1::gfp em diluído meio LB (1/3 LB) de líquido de triplo com diferentes taxas de agitação após um acasalamento de 45 min usando girador de 125 mL frascos10. Comparamos as frequências de conjugação de pBP136::gfp e pCAR1::gfp com 106 UFC/mL de cepas de dador e o receptor sob diferentes condições de agita (0-600 rpm). A frequência de conjugação de ambos Plasmideos aumenta-se a taxas mais elevadas de agita, e a diferença máxima de frequência a conjugação foi < 10 vezes para pBP136::gfp (entre 0 e 400 rpm), enquanto a de pCAR1::gfp foi ~ 25-fold (entre 0 e 200 rpm; Fig 1).
Estimativa da probabilidade da conjugação iniciadas pelo doador
A probabilidade estimada anteriormente de conjugação iniciadas pelo doador é mostrada na tabela 2. Para determinar a densidade de células destinatários necessário para comparar a probabilidade de conjugação, acasalamento ensaios foram realizados com diferentes densidades do dador e do receptor. Conforme mostrado na tabela 2, pBP136::gfp transconjugants foram detectados em 100% (96/96) dos poços contendo 103 UFC de doador e 105-107 UFC do destinatário e aqueles com 102 CFU de doador e 106-107 CFU de destinatário, indicando que a densidade celular era muito alta. Acasalamento de ensaios com 101 CFU de doador e 106 ou 105 CFU de destinatário resultou em um menor número de poços de transconjugant-positivo (66% e 2,1%, respectivamente, tabela 2). Assim, > 105 CFU do destinatário foi previsto devem para ser exigidas para acasalamento com uma célula de doador único. Da mesma forma, realizamos os acasalamento ensaios com pCAR1::gfp em diferentes densidades de cepas do dador e do receptor. As percentagens de poços transconjugant-positivos foram muito inferiores aos de pBP136::gfp (tabela 2). Supondo que as células do dador e do receptor podem anexar um ao outro, da mesma forma, a probabilidade de iniciação de conjugação para o doador de pCAR1 foi menor do que para o doador de pBP136. Com base nestes resultados, determinamos que 107 UFC do destinatário foi exigido para uma célula de doador único classificada por FACS.
Então, os números de poços transconjugant-positivos foram contados. A percentagem de poços de transconjugant positivo para pBP136::gfp foi maior (1,9%) do que para pCAR1::gfp (< 0.052%; Tabela 2). Assim, havia mais do que uma 36-fold diferença a probabilidade de doador-iniciada a conjugação entre estes dois plasmídeos.
Figura 1. Comparação das frequências de conjugação pBP136::gfp e pCAR1::gfp com 106 colônia formando unidades (CFU) mL-1 de doador (Pseudomonas putida SMDBS) e destinatário (p. putida KT2440RGD) em diferentes mexendo as taxas (0-600 rpm). As barras de erro foram calculadas com base em limites de confiança de 95% pelo método o MPN e o desvio-padrão de UFC do doador e do receptor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Estirpes bacterianas | Fenótipo genótipo e relevantes | Referência ou fonte |
Escherichia coli DH10B | F–, mcrA, Δ (mrr-hsdRMS-mcrBC), Φ80d ΔM15 delacZ, Δ,lacX74, deoR, recA1, araD139, Δ (ara leu) 7697, galU, galK , Λ–, rpsL, endA1, nupG | Thermo |
Escherichia coli S17-1(λpir) | TMrSmr, recA, thi, pro, hsdR–M+, RP4: 2-Tc: Mu: Tn Km7 λpir | 18 |
Pseudomoans putida KT2440 | Kms, Rifs, Gms, Tcr | 25 |
Pseudomoans putida KT2440(pCAR1) | Abrigando pCAR1 KT2440 | 20 |
Pseudomoans putida KT2440RGD | KmsRifr, Gmr, Tcr, miniTn7(Gm) PA1/O4/O3DsRedExpress-a é introduzido no cromossomo | 10 |
Pseudomoans putida SMDBS | Estirpe derivado de p. putida KT2440, dapB-excluído, Kms, Gms, Rifr, Tcr, Laureanoq é inserido no cromossomo | 21 |
P. resinovorans CA10RG | Kms, Rifr, Gmr, Tcs | 6 |
Plasmídeos | ||
pBP136 | IncP-1, MOBP, MPFT plasmídeo | 17 |
pBP136::gfp | pBP136 carregando Kmr e PA1/04/03-gfp gaveta no pará (26.137 nt) | 21 |
pCAR1 | IncP-7, MOBH, MPFF, carbazol degradativos plasmídeo | 26, 27 |
pCAR1::gfp | pCAR1 carregando Kmr e PA1/04/03- gaveta degfp em ORF171 (182.625 nt) | 21 |
pJBA28 | APr, Kmr, plasmídeo entrega para mini-Tn5-Km-PA1/04/03- RBSII-gfpmut3*-T0-T1 | 18 |
Tabela 1. Estirpes bacterianas e plasmídeos.
Plasmídeo | um Dador | um Destinatário | Os números de poços com transconjugants por 96 poços | Porcentagem |
[CFUs ou celular] | [CFUs] | [%] | ||
pBP136::gfp | 103 | 107 | 96/96 | 100 |
106 | 96/96 | 100 | ||
105 | 96/96 | 100 | ||
102 | 107 | 96/96 | 100 | |
106 | 96/96 | 100 | ||
105 | 54/96 | 56 | ||
101 | 107 | 71/96 | 74 | |
106 | 63/96 | 66 | ||
105 | 2/96 | 2.1 | ||
1 | 107 | 23/1212 | 1.9 | |
pCAR1::gfp | 103 | 107 | 6/96 | 6.3 |
106 | 6/96 | 6.3 | ||
105 | 0/96 | 0 | ||
102 | 107 | 1/96 | 1 | |
106 | 1/96 | 1 | ||
105 | 0/96 | 0 | ||
101 | 107 | 0/96 | 0 | |
106 | 0/96 | 0 | ||
105 | 0/96 | 0 | ||
1 | 107 | 1920/1 | < 0.052 |
Tabela 2. O número de poços, com densidades diferentes células, que contém transconjugants para comparar a probabilidade de doador-iniciada a conjugação entre pBP136::gfp e pCAR1::gfp.
Aqui, apresentamos um protocolo de alta resolução para detectar diferenças na frequência de conjugação em condições diferentes, usando um método do MPN para estimar o número de transconjugants. Um passo importante no protocolo é diluir a mistura do doador e do receptor após o acasalamento até crescer sem transconjugants. Outro passo é adicionar altas concentrações de antibióticos para o meio líquido seletivo para evitar a conjugação. Estes procedimentos podem reduzir o fundo causado por conjugação mais no meio seletivo. Estamos com êxito poderia detectar diferenças, mesmo depois de uma curta duração de acasalamento entre o dador e o receptor. A frequência conjugativo calculada pelo presente protocolo pode ser alterada por pequenas diferenças nas condições de crescimento das cepas dador e do receptor. Assim, estas condições devem ser cuidadosamente concebidas.
Além disso, apresentamos um protocolo para estimar a segunda etapa de conjugação usando FACS para classificação de células de doador único. Neste protocolo, o passo mais importante é determinar a densidade adequada de células destinatários para uma célula de doador único classificada. Quando o número de destinatários células circundantes um celular único doador é grande o suficiente, físico de contato entre o dador e o receptor é certo. Então, a frequência de conjugação pode ser influenciada, não pela probabilidade de quantas vezes as células do dador e do receptor contatar uns aos outros, mas pela probabilidade de conjugação iniciadas pelo doador. Classificação de uma célula de único doador por FACS não é difícil; no entanto, 96 poços nem sempre são suficientes para estimar a probabilidade. Portanto, 10-100 placas devem estar preparadas. Um dos limites do protocolo é que não é adequado para medir a probabilidade de doador-iniciada a conjugação de um plasmídeo com baixa frequência transmissibilidade.
Baseado nestes métodos e seus resultados, informamos recentemente dois plasmídeos mostraram frequências diferentes de conjugação em meio líquido, alterando as taxas de agita, que podem afetar os primeiros e terceiros passos de conjugação, apego e desapego de pares de doador-beneficiário. Além disso, também encontramos diferenças a probabilidade do segundo passo10. Estes resultados demonstram como a frequência de conjugação muda sob diferentes condições. Estes protocolos são úteis para comparar as características de conjugação de plasmídeos sob várias condições, incluindo condições aeróbicas ou anaeróbicas, diferentes pares de doador-beneficiário, diferente temperatura ou pH e na presença ou ausência de específica produtos químicos, como cações, nutrientes e antibióticos.
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecemos o Dr. K. Kamachi do Instituto Nacional de doenças infecciosas (Japão) para fornecer pBP136 e Prof. Dr. H. Nojiri, da Universidade de Tóquio (Japão) para a prestação de pCAR1. Nós também estamos gratos ao Professor Dr. Molin Sølen da Universidade Técnica da Dinamarca para a prestação de pJBA28. Este trabalho foi apoiado pela JSPS KAKENHI (Grant Numbers 15H 05618 e 15KK0278) para MS (https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15H05618/, https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15KK0278/).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MoFlo XDP | Beckman-Coulter | ML99030 | FACS |
IsoFlow | Beckman-Coulter | 8599600 | Sheath solution |
Fluorospheres (10 μm) | Beckman-Coulter | 6605359 | beads to set up the FACS |
Incubator | Yamato Scientific Co. Ltd | 211197-IC802 | |
UV-VIS Spectrophotometer UV-1800 | SIMADZU Corporation | UV-1800 | |
96-well plates | NIPPON Genetics Co, Ltd | TR5003 | |
microplate type Petri dish | AXEL | 1-9668-01 | for validation of sorting |
membrane filter | ADVANTEC | C045A025A | for filter mating |
pippettes | Nichiryo CO. Ltd | 00-NPX2-20, 00-NPX2-200, 00-NPX2-1000 | 0.5-10 μL, 20-200 μL, 100-1000 μL |
multi-channel pippetes | Nichiryo CO. Ltd | 00-NPM-8VP, 00-NPM-8LP | 0.5-10 μL, 20-200 μL |
Tryptone | BD Difco | 211705 | |
Yeast extract | BD Difco | 212750 | |
NaCl | Sigma | S-5886 | |
Agar | Nakarai tesque | 01162-15 | |
rifampicin | Wako | 185-01003 | |
gentamicin | Wako | 077-02974 | |
kanamycin | Wako | 115-00342 | |
Petri dish | AXEL | 3-1491-51 | JPND90-15 |
microtubes | Fukaekasei | 131-815C | |
500 mL disposable spinner flask | Corning | CLS3578 |
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