Bacterial cell growth is arrested by violet and blue, but not yellow light excitation during fluorescence microscopy

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El Najjar N, van Teeseling MCF, Mayer B, Hermann S, Thanbichler M, Graumann PL.

BMC Mol Cell Biol. 2020 May 1;21(1):35.

doi: 10.1186/s12860-020-00277-y. PMID: 32357828; PMCID: PMC7193368.

Bacterial cell growth is arrested by violet and blue, but not yellow light excitation during fluorescence microscopy
Background Fluorescence microscopy is a powerful tool in cell biology, especially for the study of dynamic processes. Intensive irradiation of bacteria with UV,...

 蛍光顕微鏡は、生細胞における細胞プロセスのダイナミクスを2桁ナノメートルの分解能で得ることができる強力な手法であり、多色標識を用いて複数のタンパク質や脂質を同時に可視化することも可能である。細胞に紫外線(10-400 nm)を照射するとDNAに悪影響を及ぼすことはよく知られているが、バイオレットライトやブルーライト(400-470 nm)による励起は、細胞の生理機能に影響を及ぼす可能性があることが十分に議論されないまま、ライブセルイメージングに広く用いられてきた。405nmの光を高強度で励起すると、さまざまな成長中の細菌細胞に殺菌効果があり、さらには胞子の生存にも影響を及ぼすことがよく知られている。また、ビタミンB12、ヘム、シトクロムなどのピロール系化合物の光による化学変化が細胞死の原因となることが示されているが、フラビン系化合物が光子を吸収することで一重項酸素を発生させる可能性もある。このような毒性作用のためか、多くの微生物は光に対する特異的な応答、特に青色光に対するストレス応答を進化させ、光による細胞損傷から身を守っている。光合成を行う微生物は、光の状態に合わせて光合成活性を調節したり、明るい光の下では光合成を抑制したりする必要がある。そうしないと、エネルギーが過剰になり、一重項酸素種による光毒性が生じて、細胞に甚大な被害を及ぼすことになる。このように、光合成生物だけでなく、従属栄養生物も光に起因する細胞傷害から身を守るために、光に反応して光反応を最大化したり制限したりする必要がある。

 Bacillus subtilisの一般的なストレスシグマ因子σBは、上流のアンチ/アンチシグマ因子カスケードを介して活性化され、LOVドメインタンパク質YtvAから一部提供されるいくつかの入力に反応する。青色光は、YtvAのGTP結合状態の変化を特異的に誘導し、未知のメカニズムでσBの活性化を引き起こし、それに続くゲノム全体の転写反応には、いくつかの一般的なストレス誘導タンパク質の誘導が含まれる。σBは、YtvAとは無関係に、未知の因子によって赤色光でも活性化される。しかし、σBは赤色光よりも青色光に強く反応する。誘導には赤色光の方がはるかに多くの量が必要となる。

 B. subtilisの細胞周期イベントの研究では、CFP(445-457 nm)の励起に反応して細胞が成長停止することが観察された。これは、細胞の成長に悪影響を与えることが報告されていないσBカスケードの誘導時に観察される反応よりもはるかに強い反応である。YFPの励起光(514nm)を用いたイメージングでは、成長の停止は見られなかった。photoactivated localization microscopy(PALM)を用いた1分子追跡に用いられる紫色光(405 nm)による励起も検討した。さらに、この研究を他の2つの細菌モデル生物Escherichia coliCaulobacter crescentusにも拡大したところ、どちらも一般的に使用されている紫色と青色の蛍光イメージング条件で顕著な成長阻害を示した。この結果から、細胞の成長に依存したプロセスは、青色光の励起を用いて研究すべきではないこと、また必要であれば、細胞の生理機能に悪影響を与えないように照明条件を調整することに細心の注意を払う必要があることがわかった。本研究では、3種類の細菌モデル生物について、細胞の成長が止まらないようにするためには、光の強度や画像取得の時間間隔をうまく調整する必要があることを示した。これらの結果から、YFPの励起は、青や紫の励起に比べて、細菌の成長を維持するのに適していることがわかった。


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