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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
La estructura del glucógeno bacteriano se ve muy afectada por los métodos de extracción, que pueden dar lugar a la degradación molecular y/o al muestreo sesgado. Es esencial desarrollar métodos para minimizar estos problemas. Aquí, se han comparado cuatro métodos de extracción utilizando la distribución del tamaño y la distribución de la longitud de la cadena como criterios clave para minimizar los artefactos de extracción.
En la actualidad, existe una variedad de métodos de extracción de glucógeno, que dañan la estructura espacial del glucógeno o solo extraen parcialmente el glucógeno, lo que lleva a la caracterización sesgada de la estructura molecular fina del glucógeno. Para comprender los cambios dinámicos de las estructuras de glucógeno y las funciones versátiles de las partículas de glucógeno en las bacterias, es esencial aislar el glucógeno con una degradación mínima. En este estudio, se demuestra un método de aislamiento de glucógeno suave mediante el uso de precipitación de agua fría (CW) a través de ultracentrifugación en gradiente de densidad de azúcar (SDGU-CW). También se realizó el método tradicional del ácido tricloroacético (TCA) y el método del hidróxido de potasio (KOH) para la comparación. Una cepa de laboratorio comúnmente utilizada, Escherichia coli BL21(DE3), se utilizó como organismo modelo en este estudio con fines de demostración. Después de extraer las partículas de glucógeno utilizando diferentes métodos, sus estructuras se analizaron y compararon mediante cromatografía de exclusión por tamaño (SEC) para la distribución del tamaño de partícula y electroforesis capilar asistida por fluoróforos (FACE) para distribuciones lineales de longitud de cadena. El análisis confirmó que el glucógeno extraído a través de SDGU-CW tenía una degradación mínima.
El glucógeno es un polisacárido muy ramificado que consta de residuos de glucosilo y también de una cantidad pequeña pero significativa de proteínas, en el que todos los residuos de glucosilo están unidos entre sí a través de enlaces α-1,4-glicosídicos en cadenas lineales y enlaces α-1,6-glicosídicos en los puntos de ramificación1. La estructura de las partículas de glucógeno generalmente se divide en tres jerarquías: 1) oligómeros de cadena corta, 2) partículas de β esféricas (~ 20 nm de diámetro) y 3) partículas grandes de α en forma de roseta agregadas por β partículas, cuyo diámetro varía aproximadamente hasta 300 nm. Recientemente, se ha descubierto que las partículas de α glucógeno tienen dos estados estructurales en los eucariotas, es decir, un estado frágil y un estado estable. Aquí, la fragilidad significa la disociación de partículas de α más grandes en partículas β más pequeñas en presencia de un agente caótico como el DMSO2. Análisis posteriores encontraron que las partículas de α de glucógeno en el hígado diabético son consistentemente frágiles3 y las partículas de α frágiles se degradan mucho más rápido que las partículas de α estables4. Por lo tanto, la fragilidad estructural del glucógeno puede exacerbar las condiciones hiperglucémicas en la diabetes 2,4, lo que convierte a la partícula de α frágil en un potencial biomarcador patológico de la diabetes a nivel molecular. Sin embargo, la existencia de partículas de α de glucógeno en procariotas solo se reporta esporádicamente5, y no hay reporte de los dos estados estructurales diferentes de las partículas de α de glucógeno en las bacterias.
Para comprender las funciones fisiológicas de las partículas de glucógeno bacteriano, es esencial determinar la estructura fina de las moléculas de glucógeno, lo que requiere un aislamiento de glucógeno con el máximo rendimiento y la mínima degradación1. Hasta ahora, se han desarrollado varias técnicas para la extracción de glucógeno, que incluyen, entre otras, la extracción con agua caliente, la extracción con ácido tricloroacético (TCA) y la extracción con alcalinos calientes (hidróxido de potasio, KOH)6. Además, otro método que se usa comúnmente para el aislamiento de glucógeno eucariota, el método de ultracentrifugación en gradiente de densidad de azúcar (SDGU), también se reportó para el aislamiento de glucógeno bacteriano en Selenomonas ruminantium y Fibrobacter succinogenes 7,8. A pesar de que los pros y los contras de estos métodos han sido ampliamente discutidos en estudios eucariotas 9,10, rara vez existen estudios comparativos de estructuras finas de glucógeno aisladas mediante diferentes métodos de extracción en bacterias desde la perspectiva de las estructuras de las partículas de glucógeno.
En este estudio, este problema se ha abordado utilizando Escherichia coli BL21(DE3) como organismo modelo. Se compararon un total de cuatro métodos de extracción de glucógeno, a saber, la extracción con agua caliente precipitada con TCA (TCA-HW), la extracción con agua fría precipitada con TCA (TCA-WW), la extracción con solución caliente de KOH AL 30% (KOH-HW) y la extracción con agua fría mediante ultracentrifugación en gradiente de densidad de sacarosa (SDGU-CW). La distribución del tamaño de las partículas de glucógeno se midió mediante cromatografía de exclusión por tamaño (SEC), mientras que la distribución de la longitud de la cadena se detectó mediante electroforesis de carbohidratos asistida por fluoróforos (FACE), ambos utilizados para evaluar la calidad de los métodos de extracción. Además, también se comparó la estabilidad y fragilidad de las partículas de glucógeno bacteriano α entre los diversos métodos de extracción comparando la distribución del tamaño de las partículas antes y después del tratamiento con el agente caotrópico comúnmente utilizado, el dimetilsulfóxido (DMSO). A continuación se presentan los procedimientos detallados para la extracción de glucógeno y la caracterización estructural. En resumen, el método SDGU-CW tiene el mejor efecto general en términos de integridad estructural del glucógeno y, por lo tanto, se recomienda para la extracción de glucógeno bacteriano en futuros estudios relevantes.
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1. Cultivo y recolección de bacterias
2. Extracción de glucógeno
3. Determinación de la estructura del glucógeno
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Distribución del tamaño de las partículas de glucógeno
Una serie de estudios han demostrado que las partículas de α de glucógeno en el hígado diabético son frágiles y se rompen fácilmente en el disruptor de enlace de hidrógeno DMSO 11,12,13,14. El presente estudio probó cómo cambiaba el tamaño de las partículas y la estabilid...
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El glucógeno es una importante reserva energética que ha sido identificada en muchas bacterias16. Para diseccionar las funciones fisiológicas de las partículas de glucógeno, es esencial tener una mejor comprensión de la estructura fina de las moléculas de glucógeno. Hasta ahora, se han desarrollado una variedad de métodos para extraer glucógeno del cultivo bacteriano. Sin embargo, se han observado diferentes distribuciones de tamaño de las partículas d...
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Los autores no tienen conflictos de intereses.
Estamos muy agradecidos al profesor Robert G. Gilbert de la Universidad de Queensland y la Universidad de Yangzhou, quien proporcionó conocimientos y experiencia que ayudaron en gran medida a completar este estudio. Reconocemos el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 31900022, No. 32171281), la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Jiangsu (No. BK20180997), Equipo Joven de Innovación Científica y Tecnológica de la Universidad Médica de Xuzhou (No. TD202001), y Proyecto Jiangsu Qinglan (2020).
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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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