Summary

Cultuur van kleine kolonievariant van Pseudomonas aeruginosa en Quantitatie van zijn Alginate

Published: February 22, 2020
doi:

Summary

Hier beschrijven we een groeivoorwaarde om de kleine kolonievariant van Pseudomonas aeruginosate kweken. We beschrijven ook twee afzonderlijke methoden voor de detectie en kwantificering van de exopolysaccharide alginaat geproduceerd door P. aeruginosa met behulp van een traditionele uronic zuur carbazole test en een alginaat-specifieke monoklonale antilichaam (mAb) gebaseerde ELISA.

Abstract

Pseudomonas aeruginosa, een opportunistische Gram-negatieve bacteriële ziekteverwekker, kan overproduceren een exopolysaccharide alginaat resulteert in een unieke fenotype genaamd slijmvlies. Alginaat is gekoppeld aan chronische longinfecties wat resulteert in een slechte prognose bij patiënten met cystische fibrose (CF). Inzicht in de paden die de productie van alginaat reguleren, kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën die gericht zijn op de alginaatvorming. Een ander ziektegerelateerd fenotype is de kleine kolonievariant (SCV). SCV is te wijten aan de trage groei van bacteriën en vaak geassocieerd met verhoogde resistentie tegen antimicrobiële stoffen. In dit artikel tonen we eerst een methode om een genetisch gedefinieerde vorm van P. aeruginosa SCV te kweken als gevolg van pyrimidine biosynthesemutaties. Suppletie van stikstofhoudende bases, uracil of cytosine, geeft de normale groei terug aan deze mutanten, het aantonen van de aanwezigheid van een bergingstraject dat vrije bases uit het milieu scharrelt. Vervolgens bespreken we twee methoden voor het meten van bacteriële alginaat. De eerste methode is gebaseerd op de hydrolyse van de polysaccharide tot zijn uronic acid monomeer, gevolgd door derivatisatie met een chromogene reagens, carbazole, terwijl de tweede methode een ELISA gebruikt op basis van een commercieel verkrijgbare, alginaat-specifieke mAb. Beide methoden vereisen een standaardcurve voor kwantificering. We tonen ook aan dat de immunologische methode specifiek is voor alginaatkifie en kan worden gebruikt voor de meting van alginaat in de klinische monsters.

Introduction

Chronische longinfecties met Pseudomonas aeruginosa zijn een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit bij patiënten met cystische fibrose (CF). Tijdens de vroege kindertijd worden patiënten gekoloniseerd door meerdere bacteriële pathogenen, waaronder niet-mucoïde isolaten van P. aeruginosa1,2. De totstandkoming van de kleine kolonievariant (SCV) isoleert evenals slijmervormige isolaten is een teller voor het begin aan chronische besmettingen. SCV isolaten zijn zeer resistente3 als gevolg van hun trage groeipercentages4, waardoor ze een ernstig afschrikmiddel in de behandeling regimenten en andere chronische infecties5 door P. aeruginosa. Werk van Al Ahmar et al.6 toonde een verband tussen SCV en slijmvlies verbonden door de novo pyrimidine biosynthese. Pyrimidinehonger, als gevolg van mutaties in genen die betrokken zijn bij de productie van pyrimidine, resulteerde in SCV fenotype in de nonmucoid referentiestam PAO1 en het slijmvliesderivaat PAO581 (PAO1mucA25).

Hoewel alginaatoverproductie een belangrijke ziektemarker is voor chronische longinfecties in CF, is het niet duidelijk of er een directe correlatie is tussen de hoeveelheid alginaat en longpathologie, en het is onduidelijk of alginaat kan worden gebruikt als prognosemarker voor behandeling7. De productie van alginaat wordt voornamelijk gereguleerd door twee operonen, een regelgevende operon (algUmucABCD)8,9 en de biosynthetische operon (algD operon)10,11. Alginaat productie wordt strak gereguleerd door de sigma factor AlgU9,12 (ook bekend als AlgT) en de afbraak van de anti-sigma factor MucA13. De mogelijkheid om de productie van alginaat ter plaatse te controleren van de sputummonsters van de patiënten kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe therapeutische opties.

Hier beschrijven we een groeitoestand die de aanwezigheid van SCV detecteert die wordt veroorzaakt door mutanten die de pyrimidine de novo niet kunnen synthetiseren. Suppletie van uracil en/of cytosine, de stikstofachtige basis van pyrimidine nucleotide, aan het medium activeert het bergingstraject, waardoor de normale groei in mutanten wordt hersteld. Deze groeimethode voor deze specifieke SCV mutanten kan worden gebruikt als een screeningmethode om pyrimidinemutaties in patiëntenmonsters te identificeren. Daarnaast bespreken we twee methoden voor detectie en meting van alginaat geproduceerd en afgescheiden door P. aeruginosa. De eerste is de traditionele methode14,15,16 van het vernederen van de polysaccharide met behulp van een hoge concentratie zuur en vervolgens het toevoegen van een colorimetrische indicator om de concentratie in het monster te kwantificeren. De tweede methode, ontwikkeld in ons laboratorium, maakt gebruik van de Enzym-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) met behulp van een anti-alginaat monoklonale antilichaam (mAb) ontwikkeld door QED Biosciences. De ELISA-methode blijkt specifieker en gevoeliger te zijn dan de uronic zuurtest en maakt veiliger gebruik mogelijk door het vermijden van het sterk geconcentreerde zwavelzuur. Met het vermogen van de ELISA om direct op de sputummonsters van de patiënt te worden gebruikt om alginaat te meten, kan het worden ontwikkeld als een diagnostisch hulpmiddel voor monitoring om de hoeveelheid alginaat in de longen te volgen in verschillende perioden van de infectie.

Protocol

1. SCV groeiomstandigheden en fysiologische activering van de bergingsroute Detectie van SCV. Streep de P. aeruginosa stammen PAO1, PAO1ΔpyrD, PAO581, en PAO581ΔpyrD op voorverwarmde Pseudomonas isolatie agar (PIA) platen en groeien bij 37 °C voor 48 uur. Op de groeiplaat wordt één kolonieisolaat je geïdentificeerd met het SCV-fenotype (koloniegrootte van 1−3 mm in tegenstelling tot de normale grootte van 3−5 mm kolonie). Herhaal stap 1.1.1 om een…

Representative Results

Figuur 1 toont platen van PAO1 en PAO581 met of zonder in-frame deletie in het pyrd-gen (een gen in de pyrimidine biosyntheseroute) die resulteert in SCV6. De PAO1 SCV mutant werd hersteld tot een normale groei in reactie op uracil suppletie(figuur 1A,B). Bovendien werd de PAO581ΔpyrDSCV mutant teruggegeven aan mucoidy met dezelfde uracil behandeling, omdat de moederstam…

Discussion

Zowel SCV en alginaat zijn belangrijke ziekte markers betrokken bij verschillende chronische infecties. Daarom is het vermogen om SCV te laten groeien en de regulatie en productie van alginaat door P. aeruginosa te bestuderen een integraal onderdeel van de ontdekking van nieuwe behandelingen voor deze chronische ziekten.

SCV stammen zijn notoir moeilijk om te groeien als gevolg van hun trage groeipercentage 4 in vergelijking met andere P. aeruginosa st…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (NIH) subsidies R44GM1113545 en P20GM103434.

Materials

1-Step Ultra TMB-ELISA Thermo Scientific 34028 via Fisher Scientific
Absolute Ethanol (200 Proof) Fisher Scientific BP2818-4 Molecular Bio-grade
Accu Block Digital Dry Bath Labnet NC0205808 via Fisher Scientific
Assay Plates 96-well CoStar 2021-12-20
Bench Top Vortex-Genie 2 Scientific Industries G560
Boric Acid Research Products International Corp. 10043-35-3
Cabinet Incubator VWR 1540
Carbazole Sigma C-5132
Carbonate-Bicarbonate Buffer Sigma C3041
Centrifuge Tubes (50 ml) Fisher Scientific 05-539-13 via Fisher Scientific
Culture Test Tubes Fisher Scientific 14-956-6D via Fisher Scientific
Cuvette Polystyrene (1.5 ml) Fisher Scientific 14955127 via Fisher Scientific
Cytosine Acros Organics 71-30-7
Diposable Inoculation Loops Fisher Scientific 22-363-597
D-Mannuronic Acid Sodium Sigma Aldrich SMB00280
FMC Alginate FMC 2133
Glycerol Fisher Scientific BP906-5 For Molecular Biology
Mouse Anti-Alginate Monoclonal Antibody QED Biosciences N/A Lot # :15725/15726
Phosphate Buffered Saline Powder (PBS) Sigma P3813
Pierce Goat Anti-Mouse Poly-HRP Antibody Thermo Scientific 32230 via Fisher Scientific
Potassium Hydroxide Fisher Scientific 1310-58-3 via Fisher Scientific
Prism 7 GraphPad
Pseudomonas Isolation Agar (PIA) Difco 292710 via Fisher Scientific
Pseudomonas Isolation Broth (PIB) Alpha Biosciences P16-115 via Fisher Scientific
Round Toothpicks Diamond Any brand
Seaweed alginate (Protanal CR 8133) FMC Corporation
Skim Milk Difco 232100 via Fisher Scientific
SmartSpec Plus Spectrophotometer BioRad 170-2525 or preferred vendor
Sodium Chloride (NaCl) Sigma S-5886
SpectraMax i3x Multi-mode MicroPlate Reader Molecular Devices i3x or preferred vendor
Sterile Petri Dish 100mm x 15mm Fisher Scientific FB0875713 via Fisher Scientific
Sulfuric Acid Fisher Scientific A298-212 Technical Grade
Sulfuric Acid (2 Normal -Stop Solution) R&D Systems DY994
Tween 20 Sigma P2287
Uracil Acros Organics 66-22-8

References

  1. Govan, J. R., Deretic, V. Microbial pathogenesis in cystic fibrosis: mucoid Pseudomonas aeruginosa and Burkholderia cepacia. Microbiological Reviews. 60 (3), 539-574 (1996).
  2. Hogardt, M., Heesemann, J. Adaptation of Pseudomonas aeruginosa during persistence in the cystic fibrosis lung. International Journal of Medical Microbiology. 300 (8), 557-562 (2010).
  3. Evans, T. J. Small colony variants of Pseudomonas aeruginosa in chronic bacterial infection of the lung in cystic fibrosis. Future Microbiology. 10 (2), 231-239 (2015).
  4. Johns, B. E., Purdy, K. J., Tucker, N. P., Maddocks, S. E. Phenotypic and Genotypic Characteristics of Small Colony Variants and Their Role in Chronic Infection. Microbiology Insights. 8, 15-23 (2015).
  5. Pestrak, M. J., et al. Pseudomonas aeruginosa rugose small-colony variants evade host clearance, are hyper-inflammatory, and persist in multiple host environments. PLoS Pathogones. 14 (2), e1006842 (2018).
  6. Al Ahmar, R., Kirby, B. D., Yu, H. D. Pyrimidine Biosynthesis Regulates Small Colony Variant and Mucoidy in Pseudomonas aeruginosa Through Sigma Factor Competition. Journal of Bacteriology. 201 (1), e00575-e00618 (2019).
  7. Ramsey, D. M., Wozniak, D. J. Understanding the control of Pseudomonas aeruginosa alginate synthesis and the prospects for management of chronic infections in cystic fibrosis. Molecular Microbiology. 56 (2), 309-322 (2005).
  8. Mathee, K., McPherson, C. J., Ohman, D. E. Posttranslational control of the algT (algU)-encoded sigma22 for expression of the alginate regulon in Pseudomonas aeruginosa and localization of its antagonist proteins MucA and MucB (AlgN). Journal of Bacteriology. 179 (11), 3711-3720 (1997).
  9. Schurr, M. J., Yu, H., Martinez-Salazar, J. M., Boucher, J. C., Deretic, V. Control of AlgU, a member of the sigma E-like family of stress sigma factors, by the negative regulators MucA and MucB and Pseudomonas aeruginosa conversion to mucoidy in cystic fibrosis. Journal of Bacteriology. 178 (16), 4997-5004 (1996).
  10. Rehm, B. H. A., Rehm, B. H. A. Alginate Production: Precursor Biosynthesis, Polymerization and Secretion. Alginates: Biology and Applications. , 55-71 (2009).
  11. Remminghorst, U., Rehm, B. H. Bacterial alginates: from biosynthesis to applications. Biotechnology Letters. 28 (21), 1701-1712 (2006).
  12. Potvin, E., Sanschagrin, F., Levesque, R. C. Sigma factors in Pseudomonas aeruginosa. FEMS Microbiology Reviews. 32 (1), 38-55 (2008).
  13. Damron, F. H., Goldberg, J. B. Proteolytic regulation of alginate overproduction in Pseudomonas aeruginosa. Molecular Microbiology. 84 (4), 595-607 (2012).
  14. Bowness, J. M. Application of the carbazole reaction to the estimation of glucuronic acid and flucose in some acidic polysaccharides and in urine. The Biochemical Journal. 67 (2), 295-300 (1957).
  15. Fazio, S. A., Uhlinger, D. J., Parker, J. H., White, D. C. Estimations of uronic acids as quantitative measures of extracellular and cell wall polysaccharide polymers from environmental samples. Applied Environmental Microbiology. 43 (5), 1151-1159 (1982).
  16. Knutson, C. A., Jeanes, A. A new modification of the carbazole analysis: application to heteropolysaccharides. Analytical Biochemistry. 24 (3), 470-481 (1968).

Play Video

Cite This Article
Al Ahmar, R., Kirby, B. D., Yu, H. D. Culture of Small Colony Variant of Pseudomonas aeruginosa and Quantitation of its Alginate. J. Vis. Exp. (156), e60466, doi:10.3791/60466 (2020).

View Video