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对多个生物分子进行系统分析对于获得对生物过程的功能和机械见解至关重要。因此,描述了一个广泛的协议,用于从从同步衣原体培养中采集的单一样本中高通量提取脂质、代谢物、蛋白质和淀粉。
微藻一直是其在高价值化合物、食品和燃料生产中的应用研究的重点。此外,它们是有价值的光合模型,有助于理解基本的细胞过程。系统范围的研究有助于全面和深入地了解生物体的分子功能。然而,蛋白质组学、脂质学和代谢组学研究需要多个独立的样本和协议,这些研究具有更高的误差和可变性。这里介绍了一种强大的高通量提取方法,用于同时从绿色藻类衣原蛋白的单个样品中提取叶绿素、脂质、代谢物、蛋白质和淀粉。图示的实验设置适用于使用 12 h/12 h 光/暗条件同步的衣原体培养物。在24小时细胞周期内采集样本,证明使用各种分析平台获得的代谢物、脂质和淀粉数据均符合要求。此外,使用相同的提取方案采集的蛋白质样本进行详细的蛋白质组学分析,以评估其质量和可重复性。根据这些数据,可以推断,图示方法提供了一个强大和可重复的方法,以增进对各种生物化学途径及其功能的理解,更有信心的基础和应用研究。
微藻是天然产品(如燃料、人类和动物营养、化妆品和药理物质)的丰富来源。为了提高微藻1、2、3、4等高价值产品的生产效率,我们进行了大量研究。系统层面对新陈代谢的理解是提高天然产品的质量和产量的先决条件5,6,7。随着功能基因组技术的出现和改进的质谱方法,数千个基因、转录本、蛋白质和代谢物可以同时被监测。然而,深入蛋白质组学、脂质学和代谢组学研究需要多个样本,这在单细胞生物体中往往难以实现,特别是如果要进行时间课程研究。此外,将不同样本等分的收集和处理与不同的协议相结合,以收集高度复杂的组分数据(即蛋白质组、脂质组和代谢组学),引入可变性,从而使数据的集成成为具有挑战性的任务。
衣原体不仅为细胞过程的研究提供了优良的微生物系统,而且为研究细胞周期和代谢的协调提供了方便的模型。因此,使用对衣原体8的同步培养的高分辨率转录组分析,显示了与细胞周期的转录表达的强烈协调。约80%的被分析的转录本在24小时细胞周期8中表现出强健的周期性。同样,在一项研究中,两种不同菌株的衣原体干重、蛋白质、叶绿素、氨基酸和脂肪酸与细胞分裂相关,该研究每4小时9次进行一次取样。最近,据报道,代谢物和脂质动力学的细胞转移基于细胞周期10的特定阶段。使用坚固的甲基醚-丁基醚(MTBE):甲醇:水基萃取方法,可监测不同生物分子的细微变化,为全面的多组分分析提供了一个理想的起点。,11.
提出的协议指南通过可重复和有效的策略10,同时从单个样本等分中提取脂质,代谢物,蛋白质和淀粉,为时间解决了代谢和脂质学研究同步生长的衣原体文化。除了说明强健和可重复的代谢和脂质数据10外,这里还演示了从同一颗粒获得的蛋白酶样本的质量。
1.衣原体前文化
2. 发酵罐中衣原体液体培养物的同步
注:该协议中提供的参数,如温度、光和CO2,是特定于应变CC-1690mt+的。为了使用另一个应变来开发同步培养,有必要测试最佳条件。
3. 收获衣原体细胞
4. 制备提取缓冲液和提取叶绿素、脂质和代谢物
注意:甲醇 (MeOH) 和 MTBE 是易燃的,在长时间接触和/或接触时会刺激呼吸道、眼睛或皮肤。请仅在烟罩中小心处理,并在提取过程中使用适当的安全程序(实验室外套、安全眼镜、手套等)。
5. 叶绿素、脂质和代谢物的提取
6. 对分数进行加法
7. 极性代谢物(原代谢物)的测定
8. 非极性代谢物的测定(脂质)
9. 叶绿素含量的测定
10. 蛋白质含量的提取和测定、消化和分析
注:为了重新悬浮蛋白质,颗粒尿素/尿素缓冲液(6M尿素,2M尿酸蛋白酶和磷酸酶抑制剂)用于修改先前描述的16的协议。然而,任何选择的缓冲液都可用于蛋白质的重新悬浮。
11. 淀粉含量的提取和测定
注:为了确定总蛋白质和淀粉含量,固体颗粒在两步步骤中提取,如前10所述。
衣拉米多莫纳斯·赖因哈特蒂CC-1690 区域性同步
为了演示给定协议的代表性结果,我们给出了从同步衣原体培养物10采集和提取样品后获得的多组分数据示例。衣原体同步培养物由在特定时间点属于均匀生长阶段的细胞组成。衣原体培养物在12小时/12小时光/暗循环时同步,34°C的光强为200μmolμm-s-1,CO2浓度为2%,v/v,被描述为CC-1690 mt® 10菌株的最佳浓度.这些条件以前已经使用各种细胞周期参数10进行优化和验证。图 1显示了在同步培养的不同时间点使用库尔特计数器测量的单元格大小分布。当细胞在整个光相中大小增大时,可以观察到细胞体积的变化,然后从10小时光相结束时开始释放子细胞。一旦释放所有子细胞,当新释放的子细胞被释放开始下一个周期10时,可以观察到细胞体积的变化(图1)。
样品采集、处理和-提取
样品的快速采集使用离心,在丢弃上清液后,颗粒可以储存在-80°C,直到提取。如上所述(步骤5),MTBE提取结果分为三个不同的阶段:a)有机相用于测量脂质和叶绿素水平(正常化因子),b)收集极性在GCMS上测量代谢物,而c)使用颗粒以测量淀粉含量和蛋白质。图2概述了不同阶段的分布及其就业情况。
极性和非极性代谢物
根据对极性馏分的GCMS分析,对65种代谢物进行了批复,包括氨基酸、核酸、糖解中间体、葡萄糖成因、三甲苯酸循环、磷酸五角星通路和聚胺(图3A)。LCMS对含脂脂的中性相的分析,确定了204种不同的脂质,涵盖各种脂质类别,即磷脂酰甘油、磷脂酰乙胺、磺基诺沃西尔二乙醇醇,单糖酰二醇,二甘醇,二乙酰三乙二甲苯甲酸酯,脂肪酸,二乙酸甘油和三乙基甘油酯。为了可视化细胞周期中代谢物和脂质的全局变化,使用了主要成分分析(PCA)。PCA 显示代谢组学和脂质学数据的明和暗相分离。此外,两个数据都可以注意到一个半循环(部分打开的圆圈)(图3C,D)。圆形模式的部分间隙归因于以下事实:在细胞周期24小时处采集的样本是在暗下收集的,与在0.25小时暴露于光线后在细胞周期开始时收集的样本形成对比(图3C) ,D)。
蛋白质和淀粉分析
为了检查MTBE提取所得的蛋白质颗粒的质量,使用了6个样本进行蛋白质组分析。通过消化50μg蛋白质/样品获得蛋白质组学数据的质量,使用计算质量控制工具-蛋白质组学质量控制(PTXQC)19进行检验,表明从中获取的蛋白质组学数据的可重复性和高质量所有复制 (补充图 1)。使用REVIGO20检查了蛋白质的分子功能覆盖。图4A中介绍了2463种识别蛋白质的功能富集概述(见表2)。蛋白质提取后的剩余颗粒用于淀粉的可重复定量,如不同复制之间的低标准偏差所示(图4B)。
图1:在衣原体细胞周期的不同阶段细胞体积变化的例子。表示像元体积的 x 轴,而表示像元数的 y 轴。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:在多组细胞提取细胞颗粒期间使用不同阶段的图示工作流程。这个数字从朱普纳、J.等人得到重用。10.请点击此处查看此图的较大版本。
图3:使用所述协议识别的代谢物和脂质的代表性示例。(A) 由 GCMS 分析识别的代谢物类.(B) 属于LCMS分析所鉴定的不同类别的脂质物种。(C) 24 h 细胞周期中代谢物水平的原理组分分析.(D) 24 h 细胞周期脂质的原理组分分析.请点击此处查看此图的较大版本。
图4:蛋白质和淀粉数据的代表性示例。A) 使用LCMS分析识别的蛋白质的分子功能富集,使用REVIGO 20 B)代表性淀粉数据绘制树状图,显示协议的可重复性。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图1:针对衣原体培养物的温度和曝气控制同步生长的发酵罐系统的定制设计。这个数字从朱普纳、J.等人得到重用。10.请点击此处下载此文件.
补充图2:蛋白质组学数据质量的代表性结果。使用计算PTXQC工具绘制的热图19。请点击此处下载此文件。
时间(分钟) | % 缓冲区 B 到缓冲区 A | |
0 至 15 分钟 | 线性梯度从 0 到 3% | 缓冲液A:UPLC级水中0.1%的甲酸 |
15 至 75 分钟 | 线性梯度从 3% 到 30% | 缓冲液B:60%UPLC级乙酰乙酸中0.1%的甲酸 |
75 至 90 分钟 | 线性梯度从 30% 到 40% | 流速 300 nL/min |
90 至 94 分钟 | 线性梯度从 40% 到 90% | 喷射体积 4 μL |
94 到 104 分钟 | 洗涤柱与 90% | |
105 至 120 分钟 | 以 3% 将列平衡 15 分钟 |
表1:肽样品的液相色谱、梯度参数。
表2:LCMS/MS分析后确定的蛋白质清单。请点击此处下载此文件。
在本文中,我们展示了一个强大且高度适用的提取方案,用于从10-15 x 106细胞的单粒中进行综合脂质组学、代谢组学、淀粉和蛋白质组学分析。该方法已在多种研究中成功实现,研究范围广泛,研究范围广泛,研究范围广泛,研究范围为10、14、21、22、23、24、25 ,26,27,28,29,30,31,32,33,34 ,35,36.在这里,我们提出了一个逐步管道,用于从从衣原体(CC-1690 mt+)培养中采集的单一样本中分一步分析不同的生物分子。
该协议提供了一种强大且可重复的方法,用于同时处理多个样品,用于分析各种生物分子。但是,应注意执行一些关键步骤,以尽量减少技术差异。首先,应尽快收获细胞,同时保持所有采集样品的统一条件,以保持细胞的生物状态。虽然我们使用离心来收获细胞,但替代采集策略可用于采集样品。然而,需要注意的是,不同的收获策略已知会影响细胞的代谢状态37因此,必须对所有实验样本采用一致的采集方法。其次,避免干燥含有叶绿素的上部非极性,因为这会影响溶剂中溶解叶绿素的水平,影响样品的正常化因子。最后,在去除剩余的极性时应注意获得蛋白质和淀粉颗粒,以避免干扰可能影响淀粉和蛋白质含量的颗粒。
因此,提出的提取协议为多组分数据分析提供了几个优点。除了最小化所需的样品等分数外,它还减少了不同生物分子的分析结果之间的差异。这允许直接比较从初级代谢物、脂质和蛋白酶数据中获得的结果。同样,同时提取多个复合类允许不同数据集的一致和统一规范化策略。如果使用干重或新鲜重量38或细胞号很难实现规范化,则尤其适用。
该协议可以用于对复杂生物样品进行常规筛选。这些整体代谢、脂质和蛋白酶数据集可以提供关于代谢系统变化的全面信息。此外,从蛋白质组学分析中获得的数据提供了对蛋白质与代谢物相关的定量(丰度)和定性(修饰)变化的见解。因此,整合组学数据可以揭示关于生物系统遗传或生物和/或非生物扰动引起的变化的深入信息。因此,阐明特定代谢途径或细胞过程的分子变化。同样,这些高通量数据可以识别代谢工程的目标,并优化或测试来自基因组规模代谢模型37,39的预测。
作者没有披露。
我们非常感谢古德伦·沃尔特和奥内·米夏里斯的出色技术援助。我们要感谢贾瓦利斯科实验室的所有成员的帮助。我们感谢马克斯·普朗克协会资助了L A Giraldi奖学金的研究和FAPESP
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagents and standards | |||
1,2-diheptadecanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (17:0 PC) | Avanti Polar Lipids | 850360P | Internal standard for lipids |
13C Sorbitol | Sigma Aldrich | 605514 | Internal standard for metabolites, ISOTEC® Stable Isotopes |
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9393-5G | Internal standard for metabolites |
Corticosterone | Sigma Aldrich | 27840-500MG | Internal standard for metabolites, HPLC grade |
Methanol (MeOH) | Biosolve Chemicals | 13684102 | ULC-MS grade |
Methyl tert-butyl ether (MTBE) | Biosolve Chemicals | 13890602 | HPLC grade |
Trypsin/Lys-C mix | Promega | V5072 | Enzymatic digestion of proteins |
Water | Biosolve Chemicals | 23214102 | ULC-MS grade |
Equipment | |||
1.5 ml Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120086 | Used for fractions |
2 ml Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120094 | Used for sample extarction |
Balance | Sartorius Corporation | 14 557 572 | |
Fermenter system | Glasbläserei Müller, Berlin, Germany | custom made fermenter of 800ml capacity | |
Q-exactive HF Orbitrap Mass Spectrometer | Thermo Scientific | IQLAAEGAAPFALGMBFZ | |
Refrigerated microcentrifuge | Eppendorf, model 5427R | 22620701 | |
Reversed Phase (RP) Bridged Ethyl Hybrid (BEH) C8 column (100 mm×2.1 mm containing 1.7 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186002878 | Analysis of lipids |
RP Charged Surface Hybrid (CSH) column (Waters) with an inner diameter of 75 μm and a particle size of 1.7 μm | Waters, Machester, UK | 186007477 | Analysis of proteins |
RP High Strength Silica (HSS) T3 column (100 mm×2.1 mm containing 1.8 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186003539 | Analysis of metabolites |
Shaker | Eppendorf Thermomixer 5436 | 2050-100-05 | |
Sonicator | USC 300 TH | 142-0084 | standard preset sonication power at 45kHz |
UPLC system | Waters Acquity UPLC system (Waters, Machester, UK) | ||
Vacuum concentrator | Scan Speed Maxi Vac Alpha Evaporators | 7.008.500.002 | |
Vortex mixer | Vortex-Genie 2, Model G560 | SI-0236 | |
Z2 Coulter Particle Count and Size Analyzer | Beckman Coulter | 6605700 | particle (cells) volume and number analyser |
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