A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
הפרופיל של metabolomic Mycobacterium tuberculosis נקבע לאחר צמיחה בתרבויות ציר מרק. תנאים יכולים להיות מגוונים כדי לבדוק את ההשפעות של תוספי תזונה, חמצון, וסוכנים נגד שחפת על הפרופיל המטבולי של מיקרואורגניזם זה. נוהל להכנת תמצית היא ישים עבור שניהם 1D 1 H ו2D 1 H- 13 C ניתוחי NMR.
Mycobacterium tuberculosis הוא אחד גורמים עיקריים לתמותה בבני אדם בקנה מידה גלובלי. ההופעה של שניהם רבים-(MDR) ונרחבים-(XDR) זנים עמידים לתרופות מאיימת להרוס את תהליך בקרת מחלות נוכחיות. לפיכך, יש צורך דחוף לפתח תרופות וחיסונים שיעילים יותר מאלה הזמינים כיום. הגנום של מ ' שחפת ידועה כבר יותר מ 10 שנים, עדיין קיימים פערים בידע חשוב של תפקוד גן והחיוניות שלנו. מחקרים רבים בשימוש מאז ניתוח ביטוי גנים בשתי רמות transcriptomic וproteomic כדי לקבוע את ההשפעות של תרופות, חמצון, ותנאי גידול על הדפוסים הגלובליים של ביטוי גנים. סופו של דבר, התשובה הסופית של שינויים אלה בא לידי ביטוי בהרכב המטבולי של החיידק כולל כמה אלף כימיקלי משקל מולקולריים קטנים. השוואה בין פרופילים מטבוליים מהסוג פרוע וזנים מוטנטים, גם ללא טיפול או treated עם תרופה מסוימת, יכול למעשה מאפשר זיהוי המטרה, ועלול להוביל להתפתחות של מעכבים חדשים עם פעילות אנטי שחפת. כמו כן, את ההשפעות של שני תנאים או יותר על metabolome יכולות גם להיות מוערכות. תהודה מגנטית גרעינית (NMR) היא טכנולוגיה רבה עצמה המשמשת לזיהוי ולכמת ביניים מטבוליים. בפרוטוקול זה, נהלים להכנתו של מ ' תמציות סלולריות חפת לניתוח metabolomic NMR מתוארות. תרביות תאים גדלות בתנאים מתאימים ו3 בלימה ברמת בטיחות הביולוגית הנדרשת, 1 נקטפו, ונתונים לתמוגה מכאנית תוך שמירה על טמפרטורות נמוכות על מנת למקסם את השימור של מטבוליטים. lysates הסלולרי הם התאוששו, מסוננים מעוקרים, ומאוחסנים בטמפרטורות נמוכות במיוחד. Aliquots מתמציות תאים אלה מצופים באגר 7H9 מידלברוק ליחידות מושבה להרכיב כדי לוודא היעדר תאי קיימא. לאחר חודשים של דגירה ב 37 ° C, אם לא viמושבות מסוגלות הם נצפו, דגימות יוסרו ממתקן הבלימה לעיבוד במורד זרם. תמציות הנן lyophilized, resuspended במאגר deuterated ומוזרק במכשיר NMR, לכידת נתונים ספקטרוסקופיות אז זה נתון לניתוח סטטיסטי. ההליכים המתוארים יכולים להיות מיושמים גם לממד יחיד-(1D) H NMR 1 ודו ממדי 1 (2D) H-13 C ניתוחי NMR. מתודולוגיה זו מספקת זיהוי אמין יותר קטן משקל מולקולרי מטבוליט וניתוחים כמותיים אמינים ורגישים יותר של יצירות מטבוליות תמצית סלולרית מאשר שיטות chromatographic. וריאציות של ההליך מתוארת בעקבות צעד תמוגה התא יכול גם להיות מותאם לניתוח proteomic מקביל.
1. טקסט פרוטוקול
פרוטוקול זה מדגיש את ההסתגלות של המתודולוגיה NMR למ ' שחפת (סוכן שלישי כיתה). לכן, biosafety רמה 3 (BSL3) נהלים צריכים להיות מלווה בעת ביצוע מ ' מחקר שחפת במעבדה מוסמכת מדי שנה. חשיפה לאירוסולים מעבדה שנוצרה היא הסיכון החשוב ביותר שנתקל בו כוח אדם שעובד עם מיקרואורגניזמים אלה. ההליכים הבאים מתנהלים במוסד שלנו ווריאציות יכולות להתקיים על בסיס ההמלצות של ועדת הבטיחות הביולוגית המוסדית. אנשים נפוצים ציוד מגן יכללו חליפת Tyvek, כובע נפוח, נעליים, הנשמת N95, הגנה על עין, שרוולים, וזוג כפפות כפול של nitrile. עבודה שיש בי מ ' תרבויות שחפת ו / או מניפולציות עם פתוח מ ' שחפת מכולות מתבצעות בA2 הסוג או ארון בטיחות ביולוגי B2. נייר סופג מכוסה פלסטיק מונח על working פני שטח. כל החומרים / הציוד להיות מסולק או הוסרו מהמתקן חייבים להיות ממוקמים בשתי שקיות Biohazard ולחטא על ידי מעוקר. משטחי עבודה וציוד מנוצל בתוך הארון (FastPrep-24 תמוגה homogenizer, ספקטרופוטומטר, דלי עם קרח, וכו ') יש לחטא לאחר כל ישיבת עבודה עם Amphyl% 1 (tuberculocidal, bactericidal, קוטל פטריות, וvirucidal סוכן). מ' תרבויות שחפת חייבות להיות ממוקמות מתחת לבלימה כפולה לתחבורה לציוד גדול הממוקמים מחוץ לארון הבטיחות הביולוגי כגון מקפיאים, אינקובטורים, צנטריפוגות, ומקררים. צנטריפוגה מתנהלת עם כוסות בטיחות סגורות וצינורות מובילים בורג O-טבעת. לניתוח נוסף, מחוץ למעבדת BSL3, תמציות תא חינם מסוננות דרך מסנן של 0.2 מיקרומטר או חום מיקרואורגניזמים נהרג ב 95 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. 2 דוגמאות מצופות לאמת היעדר יחידות מושבה להרכיב לפני ההסרה מבלימה.
איור 1. תרשים זרימה של הפרוצדורות מתואר.
NMR חיץ
פתרון מלאי חובב פוספט אשלגן 50 מ"מימאה עם TMSP מיקרומטר 50:
MADC-TW או MOADC-TW (L 1)
ADC (L 1)
לחלופין, להכין OADC (1 ליטר), מוסיף את כל המרכיבים המפורטים לעיל בתוספת 50 מ"ל של 1% חומצה אולאית (מתכון בהמשך הופך יצווה 250 מ"ל). ממס יחד, להתאים את עוצמת קול ל1 ליטר ולחטא עם 0.2 מיקרומטר מסנן. בקבוק צריך להיות עטוף ברדיד האלומיניום ולאחסן ב 4 ° C.
אם העדיף, תוכל לרכוש BD BBL מידלברוק ADC המסחרי או OADC עם העשרת catalase.
1% Cycloheximide (100 מ"ל) חזק
ממס ולחטא עם מסנן 0.2 מיקרומטר. לאחסן ב 4 ° C. זהירות: cycloheximide הוא רעיל כדי לטפל בזהירות מרבית.
20% (v / v) Tween 80 (100 מ"ל)
לחלופין, שוקל 20 גרם של Tween 80 (כ 18.9 מ"ל; צפיפות 1.06 גרם / מ"ל), כדי להכין את 20% פתרון w / v. פתרון חום עד 55 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות להמסה ולערבב לחלוטין. לעקר נוזלי עם 0.2 מיקרומטר מסנן. אחסן את הפתרון הסופי בטמפרטורת חדר.
20% (v / v) Tyloxapol (100 מ"ל)
לחלופין, שוקל 20 גרם של Tyloxapol (כ 18.2 מ"ל; צפיפות 1.1 גרם / מ"ל), כדי להכין את 20% פתרון w / v. פתרון חום עד 55 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לdissolve, ולערבב לחלוטין. לעקר נוזלי עם 0.2 מיקרומטר מסנן. אחסן את הפתרון הסופי בטמפרטורת חדר.
שים לב 1: מניות גליצרול של מ ' שחפת מוכנה באמצעות הפרוטוקול הבא.
גרב של מ ' שחפת
הערה 2: inoculating המתח H37Rv (-80 ° C מניות עד 1.5 שנים) לתוך 70 מ"ל של MADC תקשורת מניבה OD 600 </ תת> של כ -0.6 לאחר 5 ימים של צמיחה על 37 מעלות צלזיוס בתנאים רועדים (100 סל"ד) בInnova 40 אכר.
הערה 3: לבדיקת זיהום התרבות, חוקרים הצליחו לחסן aliquot תרבות על מדיום עשיר סטנדרטי ולאמת היעדר הצמיחה לאחר דגירת הלילה. באופן שגרתי, תרבויות מצופות באגרו MADC להתבונן ולבחון את מורפולוגיה מושבה על ידי מיקרוסקופ שלב ניגוד. אם תרצו, ניתן לאמת תרבויות באמצעות PCR משתמש הוא 6110 פריימרים כמתוארים. 3
2. נציג תוצאות
מדגם שהוא מוכן היטב יניב ספקטרום דומה לזה מתואר באיור 2 NMR. הספקטרום הזה הוא ייצוג של מ ' ברכת שחפת פראית סוג מטבולית. המטבוליטים שזוהו קשורים ישירות או בעקיפין במסלול D-אלאנין. כמו כן, סדר הגודל של עוצמות שיא הוא פרופורציונלי לריכוזי מטבוליט להציגבתמצית התא. לכן שינויים בעוצמות שיא בין תרבויות שלא טופלו, טיפול תרופתי, וזנים מוטנטים יכולים להצביע על הפרעות במטבוליטים ומסלולים מטבוליים. מ ' שחפת 1D H 1 NMR הספקטרום נאסף על ספקטרומטר Bruker Avance 500 MHz מצויד בcryoprobe משולשת תהודה, Z-ציר שיפוע. הספקטרום מכיל CA. 400 פסגות, שממנו היו אפשר לזהות ולכמת 40-50 מטבוליטים, כולל חומצות אמינו, מבשרי נוקליאוטידים, ביניים glycolytic וחומצת לימון. מחליף BACS-120 עם תוכנת דגימת אייקון Bruker שמש כדי להפוך את איסוף נתוני התמ"ג. 1D H 1 NMR הספקטרום נאסף באמצעות פיסול עירור 4 ביעילות להסיר הממס ולשמור על בסיס שטוח, ומבטל כל צורך באוסף בסיסי שעשויה לגרום לממצאים בניתוח שלאחר מכן מנהלת רכיב (PCA) או ניתוח אורתוגונלי החלקי לפחות ריבועי מבחין (OPLS- ד"א). 1ספקטרום ד H 1 NMR נאסף ב 25 ° C עם רוחב ספקטרום של 5482.5 הרץ ונקודתי נתוני 32K. סך של 16 סריקות דמה ו 128 סריקות שמשו כדי להשיג את הספקטרום. תוכנת ACD מעבדות 1D NMR המעבד שמשה לעבד באופן אוטומטי למחצה כל ספקטרום 1D H 1 NMR. הספקטרום היה פורים הפך, בהדרגה, וההפניה לTMSP השיא (0.0 עמודים לדקה). חבילת תוכנת NMRpipe שמשה בנפרד לעבד 2D H 1-13 C NMR הספקטרום ונתחה עם NMRDraw. קובץ נתוני ברוקר FID הוסב ראשון שפורמט קובץ ניתן לזיהוי על ידי NMRpipe ולאחר מכן הקשת הייתה פורה הפכה, השלב תוקן, ואפס מלא. פסגות NMR נצפו בH 1D NMR ספקטרום 1 ו 2D C ספקטרום 1 H-13 NMR מוקצות למטבוליטים ספציפיים באמצעות H 1 ו 13 טולרנסים משמרת כימית C של 0.05 ו 0.50 לדקה, בהתאמה, ומדיסון metabolomics Consortium מסד הנתונים (MMCD ,) 5 BioMagResBank, 6 ומסד Metabolome האנושי. 7 באופן ספציפי, ספקטרום התמ"ג 1D ו 2D הם ידני שיא קטוף בי רשימת השיא של משמרות NMR הכימיים היא לאחר מכן נטענת למאגר Metabolome האנושי. המטבוליטים שזוהו על ידי מסד נתוני Metabolome אדם מוקצים לספקטרום NMR מבוסס על שניהם למקסם את מספר התאמת תהודות NMR ושייך לרשת מטבולים. לכל תרכובת או המטבוליט בדרך כלל יש זוגות CH מרובים ותהודות NMR בהתאם מרובות. לכן, יותר מתהודות NMR אלו שנצפו בספקטרום NMR הניסיוני, כך סביר יותר מטבוליט הוא הווה. באופן דומה, זיהוי מטבוליטים לשייך אותו המסלול מרובים מגביר את הסבירות של מטלות נכונות. נוכחותם של מטבוליטים ומסלולים מטבוליים מאומתת עם אנציקלופדית קיוטו של גנים וגנומים (KEGG) 8 ומאגרי MetaCyc. Mycobacterium smegm 9ATIS הוא מערכת מודל שימושית עבור מ ' שחפת ופתוגנים mycobacterial אחרים. כפי שתואר במקומות אחרים, דגימות של מ ' smegmatis גם יכול להיות משובש על ידי sonication 10.
איור 2. 1 ספקטרום תמ"ג 1D H של תמצית תא חפת Mycobacterium. פסגות NMR קשורים מטבוליטים יציגים מסומנות. קיצורים הם כדלקמן: AMP פוספט, אדנוזין מונה; α-ק"ג, α-ketoglutarate; Glu, גלוטמט, ועלא, אלאנין.
מספר לא מבוטל של מחקרים נתח את פרופילי transcriptomic וproteomic של מ ' שחפת תחת מגוון במבחנה בתנאי vivo. 11-16 סופו של דבר, שינויים בביטוי גנים ופעילות אנזים יובילו לשינויים בריכוזים של מולקולות קטנות משקל מולקולריות. התיאור המלא של תרכובות אלו מהווה metabolome. לכן, יכו...
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
המחברים מבקשים להודות לכל חברי המעבדות של ד"ר Barletta וד"ר פאוורס על הערות תוך פיתוח הפרוטוקול. אנו מודים לנדים אוסטין לדיונים מועילים והגהה של כתב היד. העבודה המתוארת בכתב היד הזה מומנה על ידי מענקי טייס זרעים לכל אחד מחוקרים המפורטים לעיל מאוניברסיטת ביולוגית מרכז חיזור נברסקה לינקולן (הורה המענק # NCRR 2P20RR 017675, ד 'בקר, PI). בנוסף, אנו מבקשים להודות לד"ר אופליה צ'אקון למתן כספים ממענק R21 (1R21AI087561-01A1) לתמיכת המשכורת החלקית של מר Halouska לתקנן שיטות תמ"ג כלול בפרסום זה מחקר ואספקה.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
שם המגיב / הציוד | חברה | מספר קטלוגים | תגובות |
העשרת ADC | BD BBL מידלברוק | 212352 | |
BACS-120 מחליף לדוגמה | ברוקר | ||
הברוקר Avance NMR | ברוקר | 500 MHz | |
שור הסרום אלבומין | הפישר סיינטיפיק | BP1600-100 | החלק V |
סרכזת | Beckman Coulter | אלגרה X-15R | Benchtop |
צינורות צנטריפוגות | קורנינג | 430291 | פוליפרופילן 50 המ"ל סטרילי |
בקבוקוני קריוגני | קורנינג | 430488 | פוליפרופילן סטרילי 2.0 מ"ל |
Cycloheximide | AG מדעית | C-1189 | רעיל |
D (+) - גלוקוז | Acros | 41095-0010 | |
אוקסיד דאוטריום | סיגמה אולדריץ | 617385 | |
Flask Erlenmeyer | VWR | 89095-266 | , בסיס שטוח סטרילי, פוליקרבונט, כובע 0.22 מיקרומטר PTFE קרום פרק |
Flask ההקפאה פלאש | VWR | 82018-226 | 750 מ"ל |
הקפא מייבש | VWR | 82019-038 | 4.5 הליטר Benchtop |
גליצרול | GibcoBRL | 15514-029 | |
מדגרה | ניו ברונסוויק | Innova 40 | Benchtop ייקר |
Lysing מטריקס B | Biomedicals MP | 6911-100 | |
מכונת תמוגה | Biomedicals MP | FastPrep-24 | |
Microcentrifuge | אפנדורף | 5415D | Benchtop |
Microcentrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R | Benchtop |
מידלברוק 7H9 מרק | Difco | 271310 | |
NMR צינורות | Norell | ST500-7 | 5mm |
העשרת OADC | BD BBL מידלברוק | 212351 | |
חומצה אולאית | סיגמא | O1008 | |
אשלגן זרח Dibasic | VWR | BDH0266 | |
אשלגן זרח Monobasic | VWR | BDH0268 | |
רוטור - Microfuge 22R | Beckman Coulter | F241.5P | אטום ופוליפרופילן |
רוטור - אלגרה X-15R | Beckman Coulter | SX4750 | עם כיסויים יו מוסמכים |
כלוריד הנתרן | הפישר סיינטיפיק | S271-3 | |
נתרן-3-trimethylsilylpropionate-2 ,2,3,3-D4 | קיימברידג' איזוטופ | DLM-48 | |
ספקטרופוטומטר | Beckman Coulter | DU-530 | |
Cuvettes ספקטרופוטומטר | עורק חיים | LS-2410 | פוליסטירן מ"ל 1.5, 2 צדדים ברורים |
מזרק | הקיטון דיקינסון | 309585 | סטרילי, 3 מ"ל luer-Lok |
מזרק סינון | Nalgene | 190-2520 | יצטט תאית סטרילי 0.2 מיקרומטר |
Tween 80 | הפישר סיינטיפיק | BP338-500 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved