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Los compuestos de tiofenesulfonamida son inhibidores potentes y específicos de los reguladores de detección LuxR /HapR que bloquean su actividad in vivo, evitando así la transcripción de genes de virulencia, motilidad y biopelículas. Este protocolo detalla cómo se sintetizan, modelan in silico y analizan in vivo estos compuestos para determinar su actividad frente a LuxR/HapR.
Las bacterias detectan el número de poblaciones locales mediante la detección de quórum, un método de comunicación célula a célula ampliamente utilizado para controlar los comportamientos bacterianos. En las especies de Vibrio , los reguladores maestros de detección de quórum LuxR/HapR controlan cientos de genes de detección de quórum, muchos de los cuales influyen en la virulencia, el metabolismo, la motilidad y más. Las tiofenesulfonamidas son potentes inhibidores de LuxR/HapR que se unen al bolsillo del ligando en estos factores de transcripción y bloquean la expresión génica de detección de quórum posterior. Esta clase de compuestos sirvió como base para el desarrollo de un conjunto de procedimientos simples, robustos y educativos para que los estudiantes universitarios asimilaran sus habilidades de química y biología utilizando un modelo CURE: experiencia de investigación de pregrado basada en cursos. Se describen protocolos optimizados que comprenden tres etapas de aprendizaje en una plataforma iterativa y multidisciplinaria para involucrar a los estudiantes en un CURE de un año de duración: (1) diseñar y sintetizar nuevos inhibidores de moléculas pequeñas basados en el núcleo de tiofenesulfonamida, (2) utilizar el modelado estructural para predecir la afinidad de unión al objetivo, y (3) analizar la eficacia de los compuestos en ensayos microbiológicos contra proteínas específicas de Vibrio LuxR/HapR. El ensayo reportero descrito realizado en E. coli predice con éxito la eficacia de los compuestos contra las proteínas objetivo en las especies nativas de Vibrio .
Las bacterias detectan la densidad de población y el tipo de células cercanas mediante un proceso de comunicación célula a célula llamado detección de quórum (QS)1. Diversos clados de bacterias utilizan QS para controlar diversos comportamientos, como la motilidad, la formación de biopelículas, la secreción de factores de virulencia, etc. Las proteínas y señales involucradas en el QS difieren ampliamente entre las bacterias. En las especies de Vibrio , el sistema de señalización QS utiliza predominantemente receptores híbridos de histidina-quinasa unidos a la membrana que reconocen señales específicas de moléculas pequeñas afines llamadas autoinductores2 (Figura 1). Estos receptores controlan el flujo de fosfato a través del sistema a un regulador de respuesta que transcribe pequeños ARN. La producción de ARNs altera la producción del regulador de detección de quórum maestro, que se define como un grupo conservado de proteínas llamado colectivamente LuxR/HapR3. Así, a bajas densidades celulares, el ARNm que codifica LuxR/HapR se degrada a través de la diana del ARNs, y a alta densidad celular, la proteína LuxR/HapR se produce a niveles máximos (revisado en Ball et al.3).
El grupo de proteínas LuxR/HapR pertenece al gran grupo de proteínas TetR, que se define por la presencia de una hélice a su vez en el dominio de unión al ADN, la formación de un homodímero funcional y, por lo general, la inclusión de un dominio de unión al ligando4. Las proteínas Vibrio LuxR/HapR se ajustan a todos estos criterios, aunque aún no se ha identificado un ligando. La proteína LuxR/HapR en todas las especies de Vibrio estudiadas controla numerosos comportamientos posteriores, muchos de los cuales se sabe que son importantes en la patogénesis: producción de biopelículas, proteasas, citotoxinas, hemolisinas, complejos de secreción de tipo III y tipo VI, y más3. La deleción de la proteína LuxR/HapR conduce a una disminución o pérdida de virulencia en los sistemas huéspedes 5,6,7, lo que lleva a la hipótesis de que la inhibición de estas proteínas es una estrategia viable para contrarrestar la progresión de la enfermedad. Las especies de Vibrio causan la enfermedad por vibriosis en organismos marinos, incluidos peces, mariscos y corales, así como en los seres humanos que entran en contacto o ingieren ciertas especies.
Investigaciones anteriores han identificado un panel de compuestos de tiofenesulfonamida que se unen específicamente al dominio de unión al ligando de las proteínas LuxR/HapR en múltiples especies de Vibrio para bloquear su función 5,8,9 (Figura 1). Utilizando un cribado reportero en E. coli, se identificaron los compuestos y posteriormente se probaron en el Vibrio nativo, que mostró una alta correlación entre el efecto en la E. coli heteróloga y la eficacia en el Vibrio9. Estos compuestos son fáciles de sintetizar en un solo paso, lo que los hace ideales para la síntesis de bibliotecas pequeñas en el contexto de un curso de laboratorio de biología química. Una experiencia de investigación de pregrado (CURE) basada en un curso de tres semanas que se diseñó en torno a este andamiaje molecular ha sido reportada previamente8. Este módulo de tres semanas se ha optimizado, simplificado y ampliado aún más en este CURE de un año de duración diseñado para dirigirse a la inhibición de las proteínas LuxR / HapR en diversas especies de Vibrio.
Los detalles de los reactivos y el equipo utilizado para el estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Diseño y síntesis de bibliotecas de tiofenesulfonamida
NOTA: Los inhibidores de la tiofenesulfonamida como el 3-fenil-1-(tiofen-2-ilsulfonil)-1 H-pirazol (PTSP) se sintetizan a través de la condensación promovida por la base en un solo paso 8,9, como se muestra en la Figura 2. Para diseñar nuevas bibliotecas de compuestos para el estudio, los investigadores deben adquirir aminas y cloruros de sulfonilo apropiados y seguir los pasos que se resumen a continuación. Si la estructura de la amina difiere mucho del derivado aromático del pirazol, puede ser necesario identificar condiciones de reacción alternativas mediante la búsqueda en la literatura. Este procedimiento es robusto y bases como el hidróxido de sodio, la trietilamina y la piridina también han funcionado bien. Si esto se realiza en un curso, los estudiantes pueden tener la libertad de elegir su propio procedimiento con resultados probablemente favorables.
2. Modelado estructural para predecir la unión de tiofenesulfonamidas al regulador Vibrio LuxR/HapR
NOTA: Este protocolo utiliza la versión basada en la web de AutoDock Vina llamada Webina11 para acoplar inhibidores de moléculas pequeñas (PTSP en este caso) en el bolsillo de unión de ligandos del homólogo de LuxR / HapR llamado SmcR de Vibrio vulnificus12. Los resultados de este protocolo son (1) afinidades de unión calculadas y (2) un archivo de estructura que se puede abrir en PyMol o en un programa relacionado para visualizar las interacciones ligando-proteína. Este protocolo se puede adaptar a cualquier molécula pequeña y a cualquier proteína con un bolsillo de unión al ligando. Se tarda unos minutos en acoplarse a SmcR porque el área de búsqueda de este receptor se define a continuación. Si es necesario definir el área de búsqueda para un nuevo receptor (pasos 2.15-2.20), esto se puede completar en un período de laboratorio de 3 h. Una vez definida la zona de búsqueda, los acoplamientos posteriores tardarán unos minutos.
3. Evaluación biológica de las tiofenesulfonamidas en la inhibición de la detección de quórum
NOTA: Aquí se describe el procedimiento específico para analizar la proteína LuxR de Vibrio campbellii. Sin embargo, este procedimiento se puede adaptar para su uso con cualquiera de las proteínas Vibrio LuxR/HapR, todas las cuales están disponibles en plásmidos replicantes ectópicamente que son compatibles con el plásmido reportero pJV0649. El ensayo de "pantalla rojo-verde" se realiza en un fondo bacteriano heterólogo utilizando células de E. coli que contienen los dos plásmidos. El plásmido de expresión LuxR/HapR (que confiere resistencia a la kanamicina) está disponible expresando diferentes genes LuxR (Figura 4A). El plásmido pJV064 (que confiere resistencia al cloranfenicol) codifica un gen gfp bajo el control de un promotor activado por LuxR y un gen mCherry bajo el control de un promotor reprimido por LuxR (Figura 4A). Ambos promotores fueron elegidos debido a su identificación como genes regulados por LuxR con grandes cambios en la expresión in vivo15. Las cepas de E. coli LuxR/HapR y el plásmido pJV064 han sido publicados previamente 9,15.
4. Lavar las placas de ensayo negras para su reutilización
Como resultados representativos, se incluyen datos de tres compuestos de tiofenesulfonamida sintetizados por estudiantes de pregrado para los compuestos 1A, 2B y 3B (Figura 5A-C; descrito en detalle en Newman et al.9). Cada compuesto se probó en la cepa de E. coli que expresa V. campbellii LuxR y utilizando el plásmido reportero pJV064. La fluorescencia normalizada por cé...
Este CURE se desarrolló originalmente como un protocolo abreviado de dos etapas y tres semanas (diseño/síntesis y ensayo) y se implementó en cinco semestres como parte de un curso de laboratorio orgánico de nivel superior8. Desde el informe original, se agregó el módulo de modelado por computadora y el ensayo de E. coli se optimizó para investigadores novatos. El protocolo resultante de tres etapas y dos semestres se ha implementado tres veces com...
JVK y LCB revelan intereses financieros en Quornix, LLC, que pueden beneficiarse de los resultados de la investigación sobre los compuestos de tiofenesulfonamida.
La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud bajo el premio número R35GM124698 a JVK. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-thiophensulfonyl chloride | Ambeed | A258464 | |
3-Phenyl-1H-pyrazole | Ambeed | A104401 | 98% |
96-well clear bottom black plates | USA Scientific | 5665-5090Q | 96-well polystyrene uClear black TC plate with lid, clear flat bottom, sterile, 8/sleeve, 32/case |
Autodock Tools | http://mgltools.scripps.edu/downloads | ||
Autodock Vina | https://vina.scripps.edu | ||
Chloramphenicol | |||
DMSO | |||
ethyl acetate | Fisher Scientific | AA31344M4 | Reagent grade |
hexanes | Fisher Scientific | H291 | |
Kanamycin | |||
magnesium sulfate | Fisher Scientific | M65-500 | Anhydrous |
Microporous Film | USA Scientific | 2920-1010 | Microporous Film, -20degC to +80degC, 50/box, Sterilized |
molview | molview.org | ||
NaCl | |||
Protein Databank | https://www.rcsb.org/ | ||
Pymol | https://pymol.org/2/ | ||
Qualitative filter paper | Fisher Scientific | 09-805-342 | Cytiva Whatman™ Qualitative Filter Paper: Grade 1 Circles, 47 mm |
Silica gel | Sorbtech | 30930M-25 | Silica Gel, Standard Grade, 60A, 40-63um (230 x 400 mesh) |
Sodium hydride | Millipore Sigma | 452912 | 60 % dispersion in mineral oil |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | MTX02847 | Tetrahydrofuran, anhydrous, 99.9%, ACS Grade, DriSolv |
TLC Plates | Sorbtech | 1634067 | Silica gel TLC plates, aluminum backed |
Tryptone | |||
webina | https://durrantlab.pitt.edu/webina/ | ||
Yeast Extract |
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