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Mechanistic Assessment of Metabolic Interaction between Single Oral Commensal Cells by Scanning Electrochemical Microscopy
Analytical Chemistry ( IF 6.7 ) Pub Date : 2023-05-25 , DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01498 Surendra R Puri 1 , Eric Almeida 2 , Subhashini Elangovan 1 , Alex Labossiere 2 , Cybele Collins 2 , Matthew Ramsey 2 , Jiyeon Kim 1
Analytical Chemistry ( IF 6.7 ) Pub Date : 2023-05-25 , DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01498 Surendra R Puri 1 , Eric Almeida 2 , Subhashini Elangovan 1 , Alex Labossiere 2 , Cybele Collins 2 , Matthew Ramsey 2 , Jiyeon Kim 1
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The human oral microbiome heavily influences the status of oral and systemic diseases through different microbial compositions and complex signaling between microbes. Recent evidence suggests that investigation of interactions between oral microbes can be utilized to understand how stable communities are maintained and how they may preserve health. Herein, we investigate two highly abundant species in the human supragingival plaque, Streptococcus mitis and Corynebacterium matruchotii, to elucidate their real-time chemical communication in commensal harmony. Specifically, we apply nanoscale scanning electrochemical microscopy (SECM) using a submicropipet-supported interface between two immiscible electrolyte solutions as an SECM probe not only to image the permeability of S. mitis and C. matruchotii membranes to tetraethylammonium (TEA+) probe ions but also to real-time visualize the metabolic interaction between two microbes via lactate production/consumption at a single-cell level. The metabolic relationship between two strains is quantitatively assessed by determining (1) the passive permeability of both bacterial membranes of 2.4 × 10–4 cm/s to the free diffusion of TEA+, (2) 0.5 mM of the lactate concentration produced by a single S. mitis strain at a rate of 2.7 × 10–4 cm/s, and (3) a lactate oxidation rate ≥5.0 × 106 s–1 by an individual C. matruchotii strain. Significantly, this study, for the first time, describes a mechanism of in situ metabolic interaction between oral commensals at the single-cell level through quantitative analysis, which supports the observed in vivo spatial arrangements of these microbes.
中文翻译：
通过扫描电化学显微镜评估单个口腔共生细胞之间代谢相互作用的机制
人类口腔微生物组通过不同的微生物组成和微生物之间复杂的信号传导，严重影响口腔和全身疾病的状况。最近的证据表明，对口腔微生物之间相互作用的研究可用于了解如何维持稳定的群落以及它们如何保持健康。在此，我们研究了人类龈上菌斑中两种高度丰富的物种：轻链球菌和马特鲁霍蒂棒状杆菌，以阐明它们在共生和谐中的实时化学通讯。具体来说，我们应用纳米级扫描电化学显微镜 (SECM)，使用两种不混溶电解质溶液之间的亚微移液器支持的界面作为 SECM 探针，不仅可以对S. mitis和C. matruchotii膜对四乙铵 (TEA + ) 探针离子的渗透性进行成像，而且还可以通过单细胞水平的乳酸生产/消耗来实时可视化两种微生物之间的代谢相互作用。通过确定 (1) 两种细菌膜对 TEA +自由扩散的被动渗透率为 2.4 × 10 –4 cm /s ，(2) 细菌产生的乳酸浓度为 0.5 mM，可以定量评估两种菌株之间的代谢关系。单个S. mitis菌株的氧化速率为 2.7 × 10 –4 cm/s，并且 (3)单个C. matruchotii菌株的乳酸氧化速率≥5.0 × 10 6 s –1。值得注意的是，这项研究首次通过定量分析描述了单细胞水平上口腔共生体之间原位代谢相互作用的机制，这支持了观察到的这些微生物的体内空间排列。
更新日期：2023-05-25
中文翻译：
通过扫描电化学显微镜评估单个口腔共生细胞之间代谢相互作用的机制
人类口腔微生物组通过不同的微生物组成和微生物之间复杂的信号传导，严重影响口腔和全身疾病的状况。最近的证据表明，对口腔微生物之间相互作用的研究可用于了解如何维持稳定的群落以及它们如何保持健康。在此，我们研究了人类龈上菌斑中两种高度丰富的物种：轻链球菌和马特鲁霍蒂棒状杆菌，以阐明它们在共生和谐中的实时化学通讯。具体来说，我们应用纳米级扫描电化学显微镜 (SECM)，使用两种不混溶电解质溶液之间的亚微移液器支持的界面作为 SECM 探针，不仅可以对S. mitis和C. matruchotii膜对四乙铵 (TEA + ) 探针离子的渗透性进行成像，而且还可以通过单细胞水平的乳酸生产/消耗来实时可视化两种微生物之间的代谢相互作用。通过确定 (1) 两种细菌膜对 TEA +自由扩散的被动渗透率为 2.4 × 10 –4 cm /s ，(2) 细菌产生的乳酸浓度为 0.5 mM，可以定量评估两种菌株之间的代谢关系。单个S. mitis菌株的氧化速率为 2.7 × 10 –4 cm/s，并且 (3)单个C. matruchotii菌株的乳酸氧化速率≥5.0 × 10 6 s –1。值得注意的是，这项研究首次通过定量分析描述了单细胞水平上口腔共生体之间原位代谢相互作用的机制，这支持了观察到的这些微生物的体内空间排列。
京公网安备 11010802027423号