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Method Article
Este protocolo presenta un método para aislar el ARN de las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa cultivadas en portaobjetos de cámara para la secuenciación de alto rendimiento.
Pseudomonas aeruginosa es un patógeno bacteriano oportunista que causa infecciones en las vías respiratorias de los pacientes con fibrosis quística (FQ). P. aeruginosa es conocida por su capacidad para formar biopelículas que están protegidas por una matriz de exopolisacáridos. Esta matriz permite que los microorganismos sean más resistentes a los factores externos, incluido el tratamiento con antibióticos. Uno de los métodos más comunes de crecimiento de biopelículas para la investigación es en placas de microtitulación o portaobjetos con cámara. La ventaja de estos sistemas es que permiten probar múltiples condiciones de crecimiento, pero su desventaja es que producen cantidades limitadas de biopelícula para la extracción de ARN. El propósito de este artículo es proporcionar un protocolo detallado, paso a paso, sobre cómo extraer ARN total de pequeñas cantidades de biopelícula de calidad y cantidad suficientes para una secuenciación de alto rendimiento. Este protocolo permite el estudio de la expresión génica dentro de estos sistemas de biopelículas.
La mayoría de las infecciones bacterianas crónicas, como las infecciones pulmonares en pacientes con fibrosis quística (FQ) y las infecciones relacionadas con prótesis, se caracterizan por el crecimiento de microorganismos dentro de biopelículas. Las biopelículas1 son comunidades de bacterias encerradas en una matriz compuesta principalmente por polisacáridos2. Las bacterias dentro de las biopelículas pueden ser de crecimiento lento, metabólicamente inactivas y en condiciones anaeróbicas e hipóxicas. Las biopelículas son más resistentes a los antibióticos debido a factores como la disminución de la penetración de los antibióticos, el aumento de la expresión de las bombas de eflujo de fármacos y la disminución de la división celular3. Por estas y otras razones, son de gran interés para la investigación.
Con el fin de estudiar con precisión las infecciones persistentes, como las infecciones crónicas por Pseudomonas aeruginosa, en pacientes con FQ, las condiciones de crecimiento observadas con la formación de biopelículas deben reflejarse con precisión in vitro. Un método común y de alto rendimiento es cultivarlos en portaobjetos de cámara o placas de microtitulación y monitorear la formación de biopelícula mediante microscopía confocal4. Se sabe que un regulador clave en la transición de un estilo de vida bacteriano planctónico, o de flotación libre, a biofilm es el mensajero secundario, el di-GMP5 cíclico. El aumento de los niveles cíclicos de di-GMP aumenta la expresión de genes específicos que promueven el crecimiento de la biopelícula. Los pequeños ARN reguladores no codificantes y la detección de quórum también desempeñan un papel importante en la regulación de la formación de biopelículas5. La medición de la expresión génica de la biopelícula mediante la secuenciación del ARN bacteriano extraído puede ser un desafío. P. aeruginosa, por ejemplo, produce tres exopolisacáridos (Psl, Pel y alginato), que se producen en cantidades significativas en biopelículas 6,7. Estos polisacáridos pueden interferir con la extracción y purificación del ARN, lo que da lugar a preparaciones impuras que contienen bajos niveles de ARNm bacteriano8. Los kits de extracción de ARN disponibles en el mercado son capaces de producir ARN de alta calidad a partir de cultivos de bacterias planctónicas, pero pueden no funcionar tan bien con cultivos de biopelícula 9,10,11. Hay algunos kits comerciales de extracción de ARN que afirman funcionar para biopelículas, uno de los cuales usamos con este método.
En este manuscrito, describimos los procedimientos para el cultivo de biopelículas de P. aeruginosa en portaobjetos de cámara y la extracción de ARNm bacteriano para la secuenciación de alto rendimiento12,13. Utilizando aislados clínicos recolectados de muestras de esputo de pacientes con FQ, demostramos que estos métodos se pueden usar para aislados con diferentes características de crecimiento. En comparación con publicaciones previas, este protocolo se describe en detalle para permitir un mayor éxito en el estudio de la expresión génica de la biopelícula bacteriana 11,14,15,16.
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El Comité de Ética de la Investigación (REB) es necesario para la recolección y el procesamiento de muestras de esputo de sujetos humanos. Este estudio fue aprobado por el Hospital for Sick Children (REB#1000019444). El Comité de Ética en Investigación (REB, por sus siglas en inglés) está obligado a recolectar y almacenar muestras de esputo de sujetos humanos. Estos estudios fueron aprobados por el Hospital para Niños Enfermos REB#1000058579.
1. Formación de biopelículas
2. Recuperación de biofilm
NOTA: Cada portaobjetos de vidrio contiene ocho pocillos separados. Una sola muestra consta de cuatro pozos con biopelículas que se agruparán17. Este protocolo de extracción es para 1 muestra (4 pocillos) donde las biopelículas se recuperan de 2 pocillos a la vez. Las extracciones de ARN se realizan utilizando un kit de extracción de ARN comercial que incluye un paso de batido de perlas y una limpieza basada en columnas, con modificaciones. Siga las instrucciones del fabricante para la preparación de reactivos.
3. Aislamiento de ARN total y evaluación de la calidad
NOTA: La extracción de ARN se realiza utilizando un kit de extracción de ARN comercial que afirma funcionar en biopelículas. Los componentes individuales se incluyen en la Tabla de Materiales, si es posible. Siempre que sea posible, se proporcionan explicaciones de los mecanismos detrás de cada paso de purificación.
4. Agotamiento de ARN ribosómico y secuenciación de alto rendimiento
5. Evaluación de la calidad de las lecturas secuenciales
NOTA : Verifique la calidad de las lecturas de secuenciación utilizando el programa disponible gratuitamente, FastQC26, disponible a través de la plataforma gratuita de código abierto, Galaxy27.
6. Mapeo de lecturas de secuenciación
NOTA : Se enumera una tubería básica para el recorte de adaptadores y el mapeo de lectura para datos de secuenciación de ARN. Las secuencias de adaptador se recortan de las lecturas mediante Trimmomatic28. Las lecturas recortadas se mapean con el genoma de referencia de P. aeruginosa PAO1 (NC_002516.2), obtenido de NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)29utilizando BWA30 y Samtools31. Para simplificar, un par de lecturas se denominan PA_1.fq y PA_2.fq; El archivo de lectura del adaptador que se va a recortar se denomina adapter.fa; y la secuencia de referencia PAO1 se denomina PAO1.fasta. Todas las herramientas son de código abierto y se ejecutan en un entorno UNIX/LINUX. Se recomienda encarecidamente que se familiarice con los fundamentos de UNIX/LINUX para poder ejecutar estos comandos.
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La descripción general del método se muestra en la Figura 1. Anteriormente utilizamos portaobjetos de cámara de 8 pocillos para cultivar biopelículas de P. aeruginosa y exponerlas a antibióticos antes de examinarlas mediante microscopía confocal en diferentes puntos temporales12,13. Este método se puede utilizar para extraer ARN total directamente de biopelículas cultivadas en este s...
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El ARN total se extrae con éxito de 17 muestras diferentes de biopelícula bacteriana por triplicado, lo que produce un total de 51 muestras. Las cuarenta y nueve bibliotecas de ARN se agrupan y se secuencian con éxito. En general, esto valida nuestros criterios de calidad con una tasa de éxito del 96 %, a pesar de que más de la mitad de las muestras se consideran de baja abundancia y de calidad subóptima 34,35,36,37.
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Los autores no tienen divulgaciones que declarar.
Contribuciones de los autores: P.W., Y.Y. y V.W participaron en la conceptualización del estudio. K.G., L.J., A.M. y P.W. optimizaron los protocolos de laboratorio. La financiación de K.G. fue apoyada por el subsidio del Programa de Colocación Laboral Estudiantil a través de BioTalent Canada.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | Automated electrophoresis of biomolecules |
Agilent RNA 6000 pico kit | Agilent | 5067-1513 | High sensitivity RNA electrophoresis chip to generate a RIN |
DNA/RNA Lysis Buffer | Zymo Research | D7001-1-50 | A guanidinium thiocyanate and N-Lauroylsarcosine-based lysis buffer sold as part of a nucleic acid purification kit |
DNA/RNA Prep Buffer | Zymo Research | D7010-2-10 | A guanidine HCl and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNA/RNA Shield | Zymo Research | R1100-50 | DNA and RNA preservation/protection reagent |
DNA/RNA Wash Buffer | Zymo Research | D7010-3-6 | A salt and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNBSEQ G-400RS | MGI | G-400RS | High throughput sequencer |
MGIEasy RNA Directional Library Prep Set | MGI | 1000006386 | Generate libraries for MGI high-throughput sequencing platforms from total RNA. |
Mini-Beadbeater-96 | BioSpec | 1001 | A high energy, high throughput cell disrupter |
NEBNext rRNA Depletion Kit (bacteria) | New England Biolabs | E7850X | Efficient and specific depletion of bacterial rRNA (5S, 16S, 23S) |
Nunc Lab-Tek II chamber slide system | Thermo Fisher Scientific | 154534 | 8-well chamber slide with removable wells |
Qubit Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q33238 | Fluorometer for DNA, RNA and proteins |
Qubit RNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32852 | High sensitivity fluorometric assay to measure RNA concentration |
Spin-Away Filters | Zymo Research | C1006-50-F | Silica-based spin column primarily used to bind or remove genomic DNA |
Sterile inoculation loops, 1 uL | Sarstedt | 86.1567.050 | Sterile, disposable inoculation loops for manipulation of microorganisms |
ZR BashingBead Lysis tubes | Zymo Research | S6003-50 | 2 mL tubes containing 0.1 and 0.5 mm bead lysis matrix for homogenizing biological samples |
Zymo Spin IIICG Columns | Zymo Research | C1006-50-G | Silica-based spin column for purification of DNA and RNA |
Zymo-Spin III-HRC Filters | Zymo Research | C1058-50 | Remove inhibitors such as polyphenolic compounds, humic/fulvic acids, tannins, melanin, etc. |
Zymobiomics DNA/RNA Miniprep kit | Zymo Research | R2002 | DNA and RNA dual extraction kit |
Zymobiomics HRC Prep solution | Zymo Research | D4300-7-30 | To be used with Zymo-Spin III-HRC Filters to remove PCR inhibitors |
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