使用抗生素耐药性平台进行抗生素脱除

摘要

我们描述了一个平台，它利用异源性抗生素耐药大肠杆菌库来消除抗生素。细菌或真菌产生的抗生素的特性可以通过表达其各自抗药性基因的大肠杆菌的生长来推断出来。该平台经济高效且具有时间效率。

摘要

从天然产物提取物中寻找新的抗生素的主要挑战之一是重新发现常见化合物。为了应对这一挑战，对感兴趣的样品进行脱体，即识别已知化合物的过程。脱体方法，如分析分离，然后是质谱法，既费时又耗费资源。为了改进脱复制过程，我们开发了抗生素耐药性平台（ARP）。ARP 是一个包含大约 100 个抗生素耐药性基因的库，这些基因已单独克隆到大肠杆菌中。这种菌株收集有许多应用，包括一种经济高效且方便的抗生素脱压方法。这个过程涉及在含有固体介质的矩形培养皿表面发酵产生抗生素的微生物，从而允许二次代谢物通过培养基分泌和扩散。经过6天的发酵期，微生物生物量被去除，并在培养皿中加入薄琼脂覆盖层，以形成光滑的表面，使大肠杆菌指标菌株生长。然后，我们收集的 ARP 菌株固定在含抗生素的培养皿表面。该板是下一个孵育过夜，以允许大肠杆菌生长在覆盖的表面。只有含有对特定抗生素（或类）的耐药性的菌株才能在此表面上生长，从而能够快速识别所生产的化合物。该方法已成功用于识别已知抗生素的生产商，并作为识别产生新化合物的人的手段。

引言

自1928年发现青霉素以来，来自环境微生物的天然产物已被证明是抗菌^化合物1的丰富来源。大约80%的天然产品抗生素来自链霉菌属和其他活动性霉菌的细菌，而其余20%是由真菌^物种1产生的。临床中使用的一些最常见的抗生素支架，如β-乳糖、四环素、里法霉素和氨基糖苷，最初是从^{微生物2中分离出来的。}然而，由于耐多药细菌（MDR）的上升，我们目前的抗生素小组在^治疗3、4方面效果已经降低。这些病原体包括"ESKAPE"病原体（即，耐万古霉素肠球菌和β-乳酸葡萄球菌、肺炎克列比氏菌、假单抗、阿辛托杆菌和肠杆菌），这是一些主要公共卫生当局认为与最高风险相关的细菌的子集，如^{世界卫生组织3、4、5。}这些MDR病原体的出现和全球传播导致对新型抗生素的不断需求3，4，5。令人遗憾的是，过去二十年已表明，从微生物来源发现新型抗生素^{越来越困难。}目前的药物发现方法包括生物活性化合物的高通量筛选，包括天然产物提取物库，允许在给定时间测试数千种^{提取物2。}然而，一旦检测到抗菌活性，下一步是分析粗提取物的含量，以确定活性成分，并消除那些含有已知或冗余^{化合物7，8。}这个过程，称为去复制，对于预防和/或显著减少重新发现已知^{抗生素7，9}的时间至关重要。虽然天然产品药物发现的必要步骤，脱复制是出了名的费力和资源^{密集型10。}

自从Beutler等人首次发明"去复制"一词以来，已经做出了广泛的努力，为快速识别已知的^{抗生素11、12}制定创新战略。今天，用于脱模最常见的工具包括分析色谱系统，如高性能液相色谱、质谱法和基于核磁共振的检测^{方法11、13。}不幸的是，这些方法中的每一个都需要使用昂贵的分析设备和复杂的数据解释。

为了开发一种无需专用设备即可快速执行的去复制方法，我们建立了抗生素耐药性^{平台（ARP）10。}ARP 可用于发现抗生素佐剂、分析新的抗生素化合物对抗已知的耐药性机制，以及从动效细菌和其他微生物中提取的已知抗生素的去复制。在这里，我们专注于它在抗生素脱位中的应用。ARP利用一个各源性大肠杆菌菌株库，表达个体抗药性基因，这些基因对最常见的重新发现的^{抗生素14、15}有效。当大肠杆菌库在二次代谢物产生生物的存在下生长时，该化合物的特性可以通过表达其相关抗性^基因10的大肠杆菌菌株的生长来推导。当ARP首次被报告时，该库由>40个基因组成，对16种抗生素类具有抗药性。原始的去复制模板被设计为包含每个抗生素类的抗药性基因子集，以在脱模过程中提供有关抗生素亚类的信息。今天，ARP由>90个基因组成，这些基因对18种抗生素具有抗药性。利用我们广泛的抗药性基因集合，开发了一个二次脱体模板，被称为最小抗生素耐药性平台（MARP）。创建此模板是为了消除基因冗余，并简单地提供有关一般抗生素类别的信息，该类别与复制代谢物相关。此外，MARP模板具有野生型和大肠杆菌BW25113（大肠杆菌BW25113+巴B+tolC）的超渗透/排泄缺陷菌株，与ARP的原始化身相比，后者仅利用超渗透应变。这种独特的方面在脱体过程中产生额外的表型，表明化合物能够穿过革兰氏阴性细菌的外膜。在这里，我们描述了在取消ARP和/或MARP的复制时应遵循的稳健协议，重点介绍了要遵循的最关键步骤，并讨论了各种可能的结果。

研究方案

1. 准备大肠杆菌库甘油库存（来自Agar Slants）

1. 将ARP/MARP E.大肠杆菌菌株从乳化汤（LB）琼脂带到含有LB琼脂和适当可选择的标记的培养皿上（表1）。
2. 通过接种含有与单个菌落的适当可选择标记的3 mL的LB，为每个大肠杆菌菌株制备培养物。在 37°C 下通过曝气（250 rpm）在 37°C 下生长过夜。
3. 将800μL的培养液和200μL的无菌80%甘油结合在1.8 mL冷冻液中。通过反转管3⁄4次混合，并储存在-80°C。

2. ARP/MARP 冷冻库存库板准备

1. 将 ARP/MARP 菌株从第 1 节中准备的甘油库存中分到一组新的培养皿中，这些菜肴包含 LB 琼脂和适当的可选标记。在37°C下生长过夜。
2. 使用无菌技术，移液器 500 μL 的阳离子调节穆勒欣顿汤 （MHB） 从无菌储液罐到无菌 96 深孔板的每个孔。
3. 在步骤 2.1 中准备板时，使用施用器杆根据 ARP/MARP 图（补充图 1和补充图 2）为 96 深孔板接种。确保在每个井中添加适当的可选标记。在深井板表面放置透气密封膜，并在 37°C （250 rpm） 下孵育过夜。
4. 参考 ARP/MARP 地图，确保没有受污染的油井。如果受污染，请重复上述步骤。使用多通道移管器，将深井板的每个井中 100 μL 转移到无菌的 96 孔圆底板。重复此步骤以创建多个冻结库存库板。
   注:最好一次至少准备 5 个库板，以防止在冻结库存库板污染时重复步骤 2.1_2.4。
5. 通过将 100 μL 的无菌 50% 甘油移入每个井中，完成使 ARP/MARP 冷冻库存库板，并通过轻轻上下移液进行混合。
6. 用无菌铝密封罩板，确保每个孔都单独密封。
7. 对板进行编号，并只指定一个冷冻库存库板，用于在给定时间为新模板接种。在冻结库存库板污染时，保留剩余部分作为备份。
8. 将板盖放在铝密封顶部，并储存在 -80°C。

3. 种子培养和脱复制板准备

1. 使用施用棒，在含有一个无菌玻璃珠（以分解菌丝）的试管中接种3 mL的链霉素抗生素培养基（SAM）（或其他适当的被检测生物的培养基）与正在检测的菌株进行接种。去复制。对于链球菌，从菌群表面轻轻刮擦孢子。
2. 使用相同的木制施用棒，在含有Bennett的琼脂的培养皿上进行无菌控制。
3. 在30°C下孵育种子培养，曝气6天（250rpm），在30°C孵育无菌控制板6天。
   注:有关 SAM 和 Bennett 的媒体配方，请参阅表 2。上述说明适用于大多数行为性。改变生长介质，作为其他细菌和真菌所必需的。
4. 通过将 23 mL 的暖贝内特琼脂吸入血清学移液器，在矩形培养皿（材料表）表面均匀分配 20 mL，将介质的剩余部分留在移液器中以防止气泡的形成。
   注:确保用于浇注板的表面是水平的，并在琼脂冷却过多之前执行此步骤;在下一阶段，平面对于库固定至关重要。
5. 轻轻旋转板，直到介质覆盖板的所有区域，并且在琼脂完全设置之前不要干扰它。
6. 使用矩形培养皿盖作为跟踪模板，使该片适合脱模板的表面，从而制备硝化纤维素膜片（材料表）。切下床单，用无菌袋高压灭菌。
   注:这种膜允许生物体在其表面孢子，而次生代谢物可以排泄到下面的介质中。一旦生长，膜被移除，为脱复制提供一个干净的表面。膜纸在 Bennett 的琼脂表面贴合越紧密，脱体效果越干净。
7. 检查无菌控制板，确保孵育 6 天后无污染物。如果无污染，将矩形培养皿和移液器 200 μL 的种子培养物的盖子取到 Bennett 的琼脂上。
8. 使用无菌棉签均匀地将培养均匀地分布到整个盘子的表面。
9. 将步骤 3.6 中制备的硝基纤维素膜放在培养皿表面的培养膜上。首先将膜的下边缘与培养皿的下边缘对齐，然后缓慢地将膜从下边缘涂抹到板的上边缘。
10. 使用无菌棉签来平滑膜-琼脂界面之间可能形成的任何气泡，确保膜与琼脂齐平。
11. 将盖子放回长方形培养皿上，倒置放在密封的塑料袋中。在30°C孵育6天。

4. 去复制板 MHB 覆盖和 ARP/MARP 库板准备

1. 6天后，从30°C培养箱中取出脱体板。使用无菌钳子（用70%乙醇彻底灭菌或喷洒），小心地从Bennett的琼脂表面去除硝化纤维素膜。
   注:此步骤将去除在膜表面生长的疏水孢子和菌丝，为脱压提供干净的表面，促进步骤4.2。
2. 如步骤 3.4 所述，确保工作表面水平，并使用血清移液器吸出 23 mL 的暖阳离子调整 MHB agar。通过在脱压板表面均匀分配 20 mL，将介质的剩余部分留在移液器中，以防止气泡形成，从而创建覆盖。
3. 轻轻旋转板，直到介质覆盖所有区域，并且在琼脂完全设置之前不要干扰它。冷却和凝固后，将去复制板返回到密封的塑料袋中，并将其倒置在 4°C 过夜。
   注:此步骤允许将次级代谢物从发酵的 Bennett 的介质扩散到 MHB agar 覆盖层中。如果硝基纤维素膜未正确制备，板边缘周围会有孢子生长，具有疏水性，可排斥MHB agar。不要将覆盖物倒在这些孢子的顶部，因为它可能导致覆盖物的污染。
4. 在浇注叠加的同一天，通过将 100 μL 的阳离子调整 MHB 移入 96 孔板的每个孔中，接种新的 ARP/MARP 模板。
   注:为了减少脱复制期间传播污染的机会，请使用单个 ARP/MARP 库板仅去复制 2⁄3 脱复制板。因此，根据将去复制的菌株数量，接种足够的 96 孔 ARP/MARP 板。
5. 从 -80 °C 冰柜中取出冷冻库存 ARP/MARP 库板。在铝密封开始在其底面形成之前，拆下铝密封，从而减少污染库板中邻近孔的机会。
6. 使用无菌 96 孔固定工具（或其他形式的接种设备），从冷冻库存 ARP/MARP 库板中小心固定，并接种含有 MHB 的新鲜 MHB 96 孔板。为了在脱复制期间尽量减少污染，请准备所需的 ARP 或 MARP 库板，以便每个库板仅复制 2⁄3 个脱复制板。在各板之间消毒固定工具。
7. 完成后，在冷冻模板上放置新的无菌铝密封，并将其放回 -80°C 冷冻室。将接种的 96 孔板放在密封塑料袋内，在 37°C 下孵育，曝气（250 rpm）18 小时。
   注:在确保不存在污染后，可以从此步骤中制备新的冷冻库存盘。如步骤 2.5 所述，在 -80°C 储存之前，将甘油添加到板中。

5. 使用 ARP/MARP 进行复制

1. 从培养箱中取出 ARP/MARP 模板，确保不存在污染物。始终使用新鲜准备且不直接从冷冻库存中复制的模板。
2. 从 4°C 中取出脱模板，并允许平衡到室温。如果有冷凝，打开盖子，让干燥在无菌的环境中。
3. 使用无菌固定工具（或其他接种设备），从 ARP/MARP 库板将引脚固定在脱压板的 MHB agar 覆盖层上。小心不要刺穿琼脂。在每次脱布板的接种之间对固定工具进行消毒。
4. 将模板固定在脱模板表面后，让模板接种干燥3~5分钟。将接种的脱模板倒置在密封的塑料袋中，在37°C下孵育过夜。
5. 通过将去复制板上的生长情况与对应于 ARP/MARP 映射的井进行比较（表 3和表 4 ），分析第二天的去复制结果。

结果

当使用ARP和/或MARP对一组感兴趣的抗生素产生菌株进行去复制时，得出了以下结果。

图 1中描述了 ARP/MARP 去复制工作流的关系图，库板映射如图 1 和补充图 2所示。图2显示了一个积极的脱布结果，其中环境提取物WAC 8921被确定为氯霉素生产商。图 3显示完全缺乏 ARP 增长，这表明存在?...

讨论

上述方案可应用于新型抗菌化合物和佐剂的发现，这些化合物和佐剂可与现有抗生素结合使用，以挽救其活性。该平台利用抗药性机制的高基质特异性及其共性抗生素，在粗天然产物提取物中分解化合物。尽管准备脱粒板所需的时间很长（±2周），但脱粒复制过程本身是在一个过夜的潜伏期后完成的，与分离和表征所需的时间相比，这非常迅速。来自原油提取物的化合物。此外，无需昂贵或高度?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Agar	Bio Shop	AGR003.5
AlumaSeal CS Films for cold storage	Sigma-Aldrich	Z722642-50EA
Ampicillin Sodium Salt	Bio Shop	AMP201.100
BBL Mueller Hinton II Broth (Cation-Adjusted)	Becton Dickinson	212322
BBL Phytone Peptone (Soytone)	Becton Dickinson	211906
Calcium Carbonate	Bio Shop	CAR303.500
Casamino acid	Bio Basic	3060
Cotton-Tipped Applicators	Fisher Scientific	23-400-101
CryoPure Tube 1.8 mL mix.colour	Sarstedt	72.379.992
D-glucose	Bio Shop	GLU501.5
Disposable Culture Tube, 16 mm x 100 mm	Fisher Scientific	14-961-29
Ethyl Alcohol Anhydrous	Commercial Alcohols	P016EAAN
Glass Beads, Solid	Fisher Scientific	11-312C
Glycerol	Bio Shop	GLY001.4
Hydrochloric Acid	Fisher Scientific	A144-212
Instant sealing sterilization pouch	Fisher Scientific	01-812-54
Iron (II) Sulfate Heptahydrate	Sigma-Aldrich	F7002-250G
Kanamycin Sulfate	Bio Shop	KAN201.50
LB Broth Lennox	Bio Shop	LBL405.500
Magnesium Sulfate Heptahydrate	Fisher Scientific	M63-500
MF-Millipore Membrane Filter, 0.45 µm pore size	Millipore-Sigma	HAWP00010	10 FT roll, hydrophillic, white, plain
Microtest Plate 96 well, round base	Sarstedt	82.1582.001
New Brunswick Innova 44	Eppendorf	M1282-0000
Nunc OmniTray Single-Well Plate	Thermo Fisher Scientific	264728	with lid, sterile, non treated
Petri dish 92 mm x 16 mm with cams	Sarstedt	82.1473.001
Pinning tools	ETH Zurich	-	Custom order
Potassium Chloride	Fisher Scientific	P217-500
Potato starch	Bulk Barn	279
Sodium Chloride	Fisher Scientific	BP358-10
Sodium Nitrate	Fisher Scientific	S343-500
Wood Applicators	Dukal Corporation	9000
Yeast Extract	Fisher Scientific	BP1422-2