A Ratiometric pH Sensor for Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria

化学 细菌 毒力 细胞质 免疫系统 分子探针 荧光 生物物理学 生物化学 表型 吞噬作用 原位 生物膜 微生物学 单克隆抗体 抗生素 表型筛选 单细胞分析 生物传感器 纳米技术 细胞生物学 计算生物学
作者
Dorothea Kossmann,Aya Iizuka,Nina Khanna,Pablo Rivera‐Fuentes
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (4): 4754-4765
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22321
摘要

Fluctuating environments can lead to phenotypic heterogeneity within a monoclonal bacterial population, especially in response to antibiotics or the human immune system. Methods are required to analyze the physiology of single cells to understand how individual cells interact with their environment and adapt to pH stress. We report a ratiometric, fluorescent probe to sense cytoplasmic pH in bacteria. Our probes are based on hemicyanine dyes and are taken up into both Gram-positive and Gram-negative bacteria. The probes are selective under a broad range of biologically relevant conditions. The response to pH changes is reversible and rapid, allowing for the real-time tracking of pH fluctuations. The sensing of these probes was tuned to allow for monitoring fluctuations around neutrality and biologically relevant acidifications. These probes were validated for cytoplasmic pH sensing in Escherichia coli, Staphylococcus epidermidis, and a clinically isolated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) strain. Furthermore, the probes enabled the identification of pH-sensitive phenotypes and monitored phagocytosis of virulent clinical strains in immune cells. Our probes are a promising tool for detecting phenotypic heterogeneity within bacterial populations and may help unravel the physiological state of resistant or persistent strains of clinical relevance.
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