A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
פרוטוקול זה מתאר את ההדמיה והכימות של חלבון מסוים בתוך תאים ברמה התאית עבור הציאנובקטריום המכיל פיקואריתרין, Crocosphaera watsonii.
מוצג פרוטוקול להדמיה וכימות של חלבון ספציפי בתאים ברמה התאית עבור הציאנובקטריום הימי Crocosphaera watsonii, יצרן ראשוני חיוני ומקבע חנקן באוקיינוסים אוליגוטרופיים. אחד האתגרים עבור מקבעי N2 אוטוטרופיים ימיים (דיאזוטרופים) הוא הבחנה בין אותות פלואורסצנטיים שמקורם בבדיקה לבין אוטופלואורסצנטיות. C. watsonii נבחר לייצג ציאנובקטריות המכילות כלורופיל, פיקואריתרין ופיקורובילין. הפרוטוקול מאפשר הדמיה פשוטה וכמותית למחצה של חלבונים ב-C. watsonii ברמת תא בודד, ומאפשר לחקור את ייצור החלבון בתנאי סביבה שונים כדי להעריך את הפעילות המטבולית של ציאנובקטריה המטרה. יתר על כן, שיטות הקיבוע והחדירה מותאמות כדי לשפר את אותות הקרינה מחלבוני המטרה כדי להבדיל ביניהם לבין אוטו-פלואורסצנטיות, במיוחד מפיקואריתרין ופיקורובילין. ניתן לדמיין את האות המשופר באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי קונפוקלי או רחב. בנוסף, עוצמת הקרינה כומתה למחצה באמצעות תוכנת פיג'י. זרימת עבודה זו של ניתוח תא בודד מאפשרת הערכה של וריאציות תא לתא של תכולת חלבון ספציפית. ניתן לבצע את הפרוטוקול בכל מעבדה למדעי החיים מכיוון שהוא דורש רק ציוד סטנדרטי וניתן להתאים אותו בקלות לתאים ציאנובקטריאליים אחרים המכילים פיקואריתרין.
השונות הפיזיולוגית מתא לתא (המכונה בדרך כלל "הטרוגניות") בפעילויות מטבוליות בתוך מיקרואורגניזמים, כולל ציאנובקטריה, תועדה באמצעות מחקרים על תרביות שיבוט 1,2,3,4. הטרוגניות זו כוללת פעילויות מטבוליות מגוונות כגון חלוקת תאים5, הטמעת פחמן 6,7,8 והטמעת חנקן 9,10. לדוגמה, מחקרים אחרונים הצביעו על כך שפעילות קיבוע N2 בציאנובקטריה קולוניאלית C. watsonii ו-C. subtropica (Cyanothece) מציגה שונות ברמת תא בודד, נוכחת בתת-אוכלוסיות של תאים בעוד שהיא נעדרת באחרים בקהילה. יש לציין כי ספיגת החנקן או פעילויות קיבוע N2 מציגות גם שונות בין תאים באתרם 11,12,13. ממצאים אלה אומתו על ידי ניתוחי איזוטופים יציבים של 15N שנערכו עם ספקטרומטר מסה של יחס איזוטופים (NanoSIMS)14,15. עם זאת, למרות ש-NanoSIMS מציע דרך חדשה לניתוח הרכב איזוטופי ברמת התא הבודד, השימוש בו נותר מוגבל בשל המורכבות הטכנית והעלות שלו.
גישה חלופית לצפייה בהטרוגניות תוך-תאית בפעילויות מטבוליות היא באמצעות זיהוי חיסוני. דיווחים קודמים הדגימו את הזיהוי החיסוני של ניטרוגנאז בתאים בודדים, אך הדבר מציב אתגרים בשל האוטו-פלואורסצנציה הנפלטת מהפיגמנטים הפוטוסינתטיים שלהם 16,17,18. ציאנובקטריה ימית, במיוחד אלה המותאמים למי האוקיינוס כמו הדיאזוטרופים האוקייניים העיקריים C. watsonii ו-Trichodesmium, מכילים כמויות משמעותיות של פיקובילינים הפולטים אוטו-פלואורסצנטיות באורכי גל קצרים יותר: פיקואריתרין ופיקורובילין19. כדי לעקוף את האוטו-פלואורסצנציה הזו, פלואורוכרומים פולטי כחול עם עירור UV הועדפו למחקרי ציאנובקטריה 16,20,21. עם זאת, אסטרטגיה זו לא הניבה הצלחה באופן עקבי, שכן תאים שטופלו אך ורק בנוגדנים ראשוניים פלטו אוטופלואורסצנטיות כחולות חזקות עד צהובות-כחלחלות תחת עירור UV20,21. נעשו מאמצים להפחית בעיה זו על ידי חשיפה של תאים לחשיפה לאור כחול או UV לפני התצפית ועל ידי שימוש בננו-גבישים מוליכים למחצה22. המחקר הנוכחי משתמש באסטרטגיה שונה המשפרת את אותות הקרינה של חלבונים באמצעות מערכת הגברת אותות טירמיד (TSA) כדי לדמיין חלבונים בעלי תכולה תאית נמוכה.
TSA, הידועה גם בשם תצהיר מדווח מזורז (CARD), היא שיטה אנזימטית רגישה ביותר המאפשרת זיהוי מטרות בשפע נמוך באימונוציטוכימיה. טכניקה זו ממנפת את הפעילות הקטליטית של פרוקסידאז כדי להפקיד קוולנטית טירמיד מסומן בסמיכות לחלבוני מטרה באתרם 23,24. בנוכחות מי חמצן, פרוקסידאז מזרז את העיבוי החמצוני של טירמיד לרדיקלים טירמידים תגובתיים, אשר נקשרים לאחר מכן לחלקים עשירים באלקטרונים כגון טירוזין, פנילאלנין וטריפטופן25. זה משפר את האותות עד פי 10 עד פי 200 בהשוואה לשיטות סטנדרטיות, מה שהופך את האות לזיהוי באמצעות טכניקות כרומוגניות או פלואורסצנטיות סטנדרטיות. כתוצאה מכך, טכניקה זו מאפשרת הערכה מהירה ובו זמנית של חלבונים מרובים לצד סמנים פנוטיפיים באוכלוסיות הטרוגניות ותת-קבוצות תאים נדירות. יש לציין כי נכון לעכשיו, המיזוג של תיוג חיסוני ומערכות TSA עבור ציאנובקטריה הוגבל למחקר יחיד שהדמיין סקסיטוקסין ב-Cylindrospermopsis raciborskii26.
השיטה המתוארת כאן מאפשרת לחקור את ייצור החלבון בתנאי סביבה משתנים ברמת התא הבודד, ומאפשרת להעריך את הפעילות המטבולית בציאנובקטריית המטרה. הזמינות של זיהוי חלבון אימונופלואורסצנטי של תא שלם מאפשרת הדמיה מהירה וכמותית למחצה של חלבונים ב - C. watsonii ברמת התא הבודד. יתר על כן, ניתן להתאים שיטה זו בקלות לשימוש עם תאים ציאנובקטריאליים אחרים המכילים פיקורובילין ופיקואריתרין.
1. גידול ציאנובקטריה
2. הכנת ריאגנטים
3. קצירת תאים
4. קיבוע ושימור תאים
5. חדירות וחסימה
6. הכנת דגימות להדמיה
7. איתור אות פלואורסצנטי באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי
8. זיהוי במיקרוסקופ קונפוקלי
9. לכמת את עוצמת האות באמצעות פיג'י
אות הקרינה נצפה מחומרים חוץ-תאיים בביקורת השלילית, שם לא נעשהשימוש בנוגדנים 1 (איור 1A-C). אות הקרינה של המגיב המוגבר על ידי טירמיד, מצומד לתת-היחידה הגדולה של חלבון Rubisco (RbcL), זוהה בהצלחה ב-C. watsonii תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי באמצעו?...
עבור ציאנובקטריה, מערכת ה-TSA מצאה שימוש נרחב בהכלאה של TSA-פלואורסצנטי באתרה (TSA-FISH, CARD-FISH), המכוונת ל-rRNA ספציפי. עם זאת, היישום שלו לחלבונים נותר מוגבל26. במחקר זה, יושם נוהל TSA כדי לאפשר זיהוי חיסוני של תא שלם של ציאנובקטריום C. watsonii המקבע N2, תוך שילו...
אנו מאשרים שאין ניגודי אינטרסים הקשורים למחקר זה.
אנו מעריכים את ד"ר ראדק קאנה וברבורה שדיווה על הסיוע בניתוח מיקרוסקופי קונפוקלי ואת ד"ר רומן סובוטקה וד"ר קטרינה בישובה על ייעוץ בזיהוי חיסוני וניתוח מיקרוסקופיה פלואורסצנטית. מחקר זה נתמך כספית על ידי קרן המחקר הצ'כית GAČR (פרויקט 20-17627S ל-OP ו-TM), פרויקט Mobility plus בין JSPS והאקדמיה הצ'כית למדעים (JPJSBP 120222502), ו-JSPS KAKENHI (פרויקט 23H02301).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Achromopeptidase | FUJIFILM | 014-09661 | |
Alexa Fluor350 | Thermo Scientific | B40952 | Tyramide-350 |
Alexa Fluor405 | Thermo Scientific | B48254 | Tyramide-405 |
Alexa Fluor488 Tyramide SuperBoost Kit | Thermo Scientific | B40922 | Goat anti-rabbit IgG |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5804 R | |
Centrifuge tubes (15 mL) | VWR | 525-1085 | For harvesting cells |
Confocal microscope | Zeiss | LSM880 | Equipped with Airyscan |
Fluorescence microscope | Olympus | BX51 | DAPI filter: Ex.360-370 nm, Em. 420-460 nm |
Gelatine | Merk | 4070 | |
High precision microscope cover glasses for confocal microscope | Deckgläser | No. 1.5H | |
Liquid Blocker Regular/Mini | Daido Sangyo Co., Ltd. | Part 6505 | For keeping the cells on the slide glass |
Lysozyme | ITW Reagents | A4972 | |
Methanol | Carl Roth | 67-56-1 | |
Monopotassium Phosphate | Penta | 12290 | |
Monunting medium | Sigma-Aldrich | 345789-20ML | FluorSave Reagent |
Mounting medium | Vectashild | H-1300 | |
Objective lens used in the confocal microscope | Zeiss | Plan-Apochromat 63x/1.4 Oil DIC M27 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
Poly-lysine coated slide glass | Sigma-Aldrich | P0425-72EA | |
Potassium chloride | Lach-Ner | ||
Safe lock tube (1.5 mL) | Eppendorf | 0030 120.086 | For treating cells and storing chemicals |
Sodium chloride | Penta | 16610 | |
Sodium hydrogen phosphate | Penta | 15130 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved