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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
La structure du glycogène bactérien est grandement influencée par les méthodes d’extraction, ce qui peut entraîner une dégradation moléculaire et/ou un échantillonnage biaisé. Il est essentiel de développer des méthodes pour minimiser ces problèmes. Ici, quatre méthodes d’extraction ont été comparées en utilisant la distribution de taille et la distribution de longueur de chaîne comme critères clés pour minimiser les artefacts d’extraction.
À l’heure actuelle, il existe une variété de méthodes d’extraction du glycogène, qui endommagent la structure spatiale du glycogène ou n’extraient que partiellement le glycogène, ce qui conduit à une caractérisation biaisée de la structure moléculaire fine du glycogène. Pour comprendre les changements dynamiques des structures du glycogène et les fonctions polyvalentes des particules de glycogène dans les bactéries, il est essentiel d’isoler le glycogène avec une dégradation minimale. Dans cette étude, une méthode d’isolement du glycogène doux est démontrée en utilisant la précipitation d’eau froide (CW) via l’ultra-centrifugation du gradient de densité de sucre (SDGU-CW). La méthode traditionnelle à l’acide trichloracétique (TCA) et la méthode à l’hydroxyde de potassium (KOH) ont également été effectuées à des fins de comparaison. Une souche de laboratoire couramment utilisée, Escherichia coli BL21(DE3), a été utilisée comme organisme modèle dans cette étude à des fins de démonstration. Après avoir extrait des particules de glycogène à l’aide de différentes méthodes, leurs structures ont été analysées et comparées par chromatographie d’exclusion stérique (SEC) pour la distribution granulométrique des particules et par électrophorèse capillaire assistée par fluorophore (FACE) pour les distributions de longueur de chaîne linéaire. L’analyse a confirmé que le glycogène extrait via SDGU-CW présentait une dégradation minimale.
Le glycogène est un polysaccharide très ramifié qui se compose de résidus glucosyliques et également d’une quantité petite mais significative de protéines, dans laquelle tous les résidus glucosyles sont liés entre eux par des liaisons α-1,4-glycosidiques en chaînes linéaires et des liaisons α-1,6-glycosidiques aux points de ramification1. La structure des particules de glycogène est généralement divisée en trois hiérarchies : 1) les oligomères à chaîne courte, 2) les particules β sphériques (~20 nm de diamètre) et 3) les grandes particules de α en forme de rosette agrégées par β particules, dont le diamètre varie approximativement jusqu’à 300 nm. Récemment, il a été constaté que les particules de glycogène α ont deux états structurels chez les eucaryotes, c’est-à-dire un état fragile et un état stable. Ici, la fragilité signifie la dissociation de particules de α plus grandes en particules de β plus petites en présence d’un agent chaotrope comme le DMSO2. Des analyses plus approfondies ont révélé que les particules de α de glycogène dans le foie diabétique sont constamment fragiles3 et que les particules α fragiles se dégradent beaucoup plus rapidement que les particules α stables4. Ainsi, la fragilité structurelle du glycogène peut exacerber les états hyperglycémiques dans le diabète 2,4, ce qui fait de la particule α fragile un biomarqueur pathologique potentiel du diabète au niveau moléculaire. Cependant, l’existence de particules de α de glycogène chez les procaryotes n’est signalée que sporadiquement5, et il n’y a pas de rapport sur les deux états structurels différents des particules de glycogène α chez les bactéries.
Afin de comprendre les fonctions physiologiques des particules de glycogène bactérien, il est essentiel de déterminer la structure fine des molécules de glycogène, ce qui nécessite une isolation du glycogène avec un rendement maximal et une dégradation minimale1. Jusqu’à présent, diverses techniques ont été développées pour l’extraction du glycogène, y compris, mais sans s’y limiter, l’extraction à l’eau chaude, l’extraction à l’acide trichloracétique (TCA) et l’extraction alcaline chaude (hydroxyde de potassium, KOH)6. De plus, une autre méthode couramment utilisée pour l’isolement du glycogène eucaryote, la méthode d’ultra-centrifugation par gradient de densité de sucre (SDGU), a également été signalée pour l’isolement du glycogène bactérien chez Selenomonas ruminantium et Fibrobacter succinogenes 7,8. Bien que les avantages et les inconvénients de ces méthodes aient été largement discutés dans les études eucaryotes 9,10, il existe rarement des études comparatives de structures fines de glycogène isolées par différentes méthodes d’extraction chez les bactéries du point de vue des structures des particules de glycogène.
Dans cette étude, cette question a été abordée en utilisant Escherichia coli BL21(DE3) comme organisme modèle. Au total, quatre méthodes d’extraction du glycogène ont été comparées, à savoir l’extraction à l’eau chaude précipitée au TCA (TCA-HW), l’extraction à l’eau froide précipitée au TCA (TCA-CW), l’extraction en solution chaude à 30 % KOH (KOH-HW) et l’extraction à l’eau froide par ultracentrifugation par gradient de densité de saccharose (SDGU-CW). La distribution granulométrique des particules de glycogène a ensuite été mesurée par chromatographie d’exclusion stérique (SEC), tandis que la distribution de la longueur de la chaîne a été détectée par électrophorèse glucidique assistée par fluorophore (FACE), deux méthodes utilisées pour évaluer la qualité des méthodes d’extraction. De plus, la stabilité et la fragilité des particules de glycogène α bactérienne ont également été comparées entre les différentes méthodes d’extraction en comparant la distribution granulométrique avant et après traitement avec l’agent chaotrope couramment utilisé, le diméthylsulfoxyde (DMSO). Les procédures détaillées d’extraction du glycogène et de caractérisation structurale sont présentées ci-dessous. En résumé, la méthode SDGU-CW a le meilleur effet global en termes d’intégrité structurelle du glycogène et est donc recommandée pour l’extraction du glycogène bactérien dans les futures études pertinentes.
1. Culture et collecte de bactéries
2. Extraction du glycogène
3. Détermination de la structure du glycogène
Distribution granulométrique des particules de glycogène
Une série d’études ont montré que les particules de α de glycogène dans le foie diabétique sont fragiles et se décomposent facilement dans le perturbateur de liaison hydrogène DMSO 11,12,13,14. La présente étude a testé comment la taille des particules et la stabilité s...
Le glycogène est une réserve d’énergie importante qui a été identifiée chez de nombreuses bactéries16. Pour disséquer les fonctions physiologiques des particules de glycogène, il est essentiel de mieux comprendre la structure fine des molécules de glycogène. Jusqu’à présent, diverses méthodes ont été développées pour extraire le glycogène de la culture bactérienne. Cependant, différentes distributions de taille des particules de glycogène...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.
Nous sommes très reconnaissants envers le professeur Robert G. Gilbert de l’Université du Queensland et de l’Université de Yangzhou qui nous a fourni des idées et une expertise qui ont grandement contribué à la réalisation de cette étude. Nous reconnaissons le soutien financier de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 31900022, n° 32171281), de la Fondation des sciences naturelles de la province du Jiangsu (n°. BK20180997), jeune équipe d’innovation scientifique et technologique de l’Université de médecine de Xuzhou (n°. TD202001) et le Jiangsu Qinglan Project (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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