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Method Article
* 这些作者具有相同的贡献
细菌糖原结构受提取方法的极大影响,这可能导致分子降解和/或采样偏倚。必须开发方法来最大限度地减少这些问题。在这里,使用大小分布和链长分布作为最小化提取伪影的关键标准,比较了四种提取方法。
目前存在多种糖原提取方法,它们要么破坏了糖原的空间结构,要么仅部分提取了糖原,导致糖原精细分子结构的表征存在偏差。为了了解糖原结构的动态变化和糖原颗粒在细菌中的多功能功能,必须以最小的降解分离糖原。在本研究中, 通过糖密度 梯度超速离心 (SDGU-CW) 使用冷水 (CW) 沉淀证明了一种温和的糖原分离方法。还采用传统的三氯乙酸 (TCA) 法和氢氧化钾 (KOH) 法进行比较。本研究使用一种常用的实验室菌株大肠 杆菌 BL21 (DE3) 作为模式生物进行演示。使用不同方法提取糖原颗粒后,通过粒径分布的尺寸排阻色谱 (SEC) 和线性链长分布的荧光团辅助毛细管电泳 (FACE) 分析和比较其结构。分析证实 ,通过 SDGU-CW 提取的糖原降解最小。
糖原是一种高度支化的多糖,由葡萄糖基残基和少量但大量的蛋白质组成,其中所有葡萄糖基残基都通过线性链中的 α-1,4-糖苷键和支化点的 α-1,6-糖苷键连接在一起1。糖原颗粒的结构通常分为三个层次结构:1) 短链低聚物,2) 球形β颗粒(直径 ~20 nm),以及 3) 由β颗粒聚集在一起的大玫瑰花结状α颗粒,其直径范围大约可达 300 nm。最近发现糖原α颗粒在真核生物中有两种结构状态,即易碎状态和稳定状态。在这里,脆性是指在 DMSO2 等离液剂存在下,较大的 α 颗粒解离成较小的β颗粒。进一步的分析发现,糖尿病肝脏中的糖原α颗粒始终是脆弱的3,并且脆弱的 α 颗粒的降解速度比稳定的 α 颗粒快得多4。因此,糖原结构脆性可能会加剧糖尿病患者的高血糖状况 2,4,这使得脆弱的 α 颗粒在分子水平上成为糖尿病的潜在病理生物标志物。然而,原核生物中存在糖原α颗粒仅零星报道5,并且没有关于细菌中糖原α颗粒的两种不同结构状态的报道。
为了了解细菌糖原颗粒的生理功能,必须确定糖原分子的精细结构,这需要以最大产量和最小降解率分离糖原1。到目前为止,已经开发了各种糖原提取技术,包括但不限于热水提取、三氯乙酸 (TCA) 提取和热碱性(氢氧化钾,KOH)提取6。此外,还报道了另一种常用于真核糖原分离的方法,即糖密度梯度超速离心 (SDGU) 方法,用于在瘤胃硒单胞菌和产琥珀纤维杆菌中分离细菌糖原 7,8。尽管这些方法的优缺点在真核生物研究中已被广泛讨论 9,10,但从糖原颗粒结构的角度来看,很少有通过不同提取方法在细菌中分离出糖原精细结构的比较研究。
在本研究中,通过使用大 肠杆菌 BL21 (DE3) 作为模式生物解决了这个问题。比较了 TCA 沉淀热水萃取 (TCA-HW)、TCA 沉淀冷水萃取 (TCA-CW)、30% 热 KOH 溶液萃取 (KOH-HW) 和蔗糖密度梯度超速离心冷水萃取 (SDGU-CW) 四种糖原萃取方法。然后 通过 尺寸排阻色谱 (SEC) 测量糖原粒度分布,同时 通过 荧光团辅助碳水化合物电泳 (FACE) 检测链长分布,这两种方法都用于评估提取方法的质量。此外,通过比较常用离液剂二甲基亚砜 (DMSO) 处理前后的粒度分布,比较了各种提取方法之间细菌糖原α颗粒的稳定性和脆性。糖原提取和结构表征的详细程序如下。综上所述,SDGU-CW 方法在糖原结构完整性方面具有最佳的整体效果,因此在未来的相关研究中推荐用于细菌糖原提取。
1. 细菌培养和采集
2. 糖原提取
3. 糖原结构测定
糖原颗粒的粒度分布
一系列研究表明,糖尿病肝脏中的糖原α颗粒很脆弱,很容易在氢键干扰物 DMSO11、12、13、14 中分解。本研究测试了通过四种不同方法提取的细菌糖原的粒度和结构稳定性如何变化。四种方法的所有糖原样品分别用水 (蓝色曲线) 和 DMSO (...
糖原是一种重要的能量储备,已在许多细菌中被发现16。为了剖析糖原颗粒的生理功能,必须更好地了解糖原分子的精细结构。到目前为止,已经开发了多种从细菌培养物中提取糖原的方法。然而,从不同的提取方法观察到糖原颗粒的不同尺寸分布,这表明糖原结构受损。因此,有必要比较和标准化提取程序,以确保来自不同研究的糖原结构具有可比性?...
作者没有利益冲突。
我们非常感谢昆士兰大学和扬州大学的 Robert G. Gilbert 教授,他们提供的见解和专业知识极大地帮助了这项研究的完成。我们感谢国家自然科学基金(第 31900022 号、第 32171281 号)、江苏省自然科学基金(第BK20180997)、徐州医科大学青年科技创新团队(No.TD202001) 和江苏青兰项目 (2020)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
Agilent 1260 infinity SEC system | Agilent | 1260 infinity II | Particle size distribution |
Analytical column | PSS | 10-1000 | - |
Centrifuge | Eppendorf | 5420 | - |
Filter membrane | Cambio | Km-0220 | - |
Fluorescence-assisted capillary electrophoresis system | Beckman Coulter | - | Chain length distribution |
Freeze dryer | Xinzhi | SCIENTZ-10N | Lyophilization of bacteria and glycogen |
Freezer | Thermo Fisher | Forma 900 | Sample storage |
Guard column | PSS | SUPPERMA | - |
Incubator | Thermo Fisher | PR505750R-CN | - |
Low-speed large-capacity centrifuge | Hexi | HR/T20MM | Sample centrifugation |
Multiskan FC microplate reader | Thermo Fisher | 1410101 | - |
Optima XPN ultracentrifuge | Beckman | XPN-100/90/80 | For glycogen |
Oscillator | Xinbao | SHZ-82 | - |
PA-800 Plus System | Beckman Coulter | A66528 | - |
pH meter | Mettler Toledo | FE28 -TRIS | - |
Refractive index detector | Wyatt | Optilab T-rEX | - |
Refrigerator | Haier | BCD-406WDPD | - |
Thermomixer | Shanghai Jingxin | JXH-100 | Sample incubation |
Transmission electron microscope | Hitachi Corporation | H-7000 | Glycogen particle morphology |
Ultracentrifuge tube | Beckman | 355651 | - |
Ultrasonic cell crusher | Ningbo Xinzhi | Scientz-IID | Bacteria disruptor |
Ultrasonic oscillating water bath | Jietuo | JT-1027HTD | - |
Vortex mixer | Tiangen | OSE-VX-01 | - |
Water system | Merck Millipore | H2O-MM-UV-T | Deionized water |
Material | |||
8-Aminopyrene-1,3,6-Trisulfonic Acid Trisodium Salt | Sigma-Aldrich | 196504-57-1 | - |
Absolute ethanol | Guoyao | 10009228 | - |
Agar powder | Solarbio | A1890 | - |
Alpha-amylase | Megazyme | E-BLAAM-40ML | - |
Amyloglucosidase | Megazyme | E-AMGDF-40ML | - |
cOmplete Mini | Roche | 4693159001 | - |
D-(+)Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-1kg | - |
D-Glucose Assay Kit (GOPOD Format) | Megazyme | K-GLUC | Glycogen quantification |
Dimethyl sulfoxide | Vicmed | Vic147 | Chaotropic agent |
E. coli BL21(DE3) | Tiangen | CB105-02 | - |
Ethylene diamine tetra-acetic acid | Vicmed | Vic1488 | - |
Glacial acetic acid | Guoyao | 10000218 | - |
Glycerol | Guoyao | 10010618 | Bacterial storage |
Hydrochloric acid | Guoyao | 10011008 | - |
Hydroxymethyl aminomethane | Sigma-Aldrich | V900483-500g | - |
Isoamylase | MegaZyme | 9067-73-6 | Glycogen debranch |
Lithium chloride | Sigma-Aldrich | 62476-100g | - |
M9, Minimal Salts, 5× | Sigma-Aldrich | M6030-1kg | Bacterial culture |
Potassium hydroxide | Guoyao | 10017008 | - |
Pullulan standard | PSS | - | - |
Sodium acetate trihydrate | Guoyao | 10018718 | - |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | 26628-22-8 | - |
Sodium chloride | Guoyao | 10019318 | Bacterial culture |
Sodium cyanoborohydride | Huaweiruike | hws001297 | - |
Sodium diphosphate | Sigma-Aldrich | 71515-250g | - |
Sodium Fluoride | Macklin | S817988-250g | - |
Sodium hydroxide | Guoyao | 10019762 | - |
Sodium nitrate | Guoyao | 10019928 | - |
Sodium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | V900195-500g | - |
Sucrose | Guoyao | 10021463 | - |
Trichloroacetic acid | Guoyao | 40091961 | - |
Tryptone | Oxoid | LP0042 | Bacterial culture |
Yeast Extract | Oxoid | LP0021 | Bacterial culture |
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