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Method Article
Il profilo metabolico di Mycobacterium tuberculosis È determinata dopo la crescita in colture in brodo. Le condizioni possono essere variate per testare gli effetti di integratori alimentari, ossidanti e anti-tubercolosi agenti sul profilo metabolico di questo microrganismo. Procedura per la preparazione estratto è applicabile sia per 1D 1 H e 2D 1 H- 13 C NMR.
Mycobacterium tuberculosis è una delle principali cause di mortalità degli esseri umani su scala globale. L'emergere di due multi-(MDR) e estesamente-(XDR) ceppi farmaco-resistenti minaccia di far deragliare attuali sforzi di lotta contro la malattia. Pertanto, vi è una necessità urgente di sviluppare farmaci e vaccini che sono più efficaci di quelle attualmente disponibili. Il genoma di M. la tubercolosi è nota da più di 10 anni, ma ci sono importanti lacune nella nostra conoscenza della funzione genica e essenzialità. Molti studi hanno utilizzato da analisi di espressione genica sia a livello trascrittomica e proteomica per determinare gli effetti dei farmaci, ossidanti, e le condizioni di crescita sui modelli globali di espressione genica. In definitiva, la risposta finale di questi cambiamenti si riflette nella composizione metabolico del batterio comprendere alcune migliaia di sostanze a basso peso molecolare. Confrontando i profili metabolici di tipo selvatico e mutanti, sia trattata o treated con un particolare farmaco, può effettivamente permettere l'identificazione di destinazione e può portare allo sviluppo di nuovi inibitori con attività anti-tubercolare. Analogamente, gli effetti di due o più condizioni del metaboloma può anche essere valutato. Risonanza magnetica nucleare (NMR) è una tecnologia potente che viene utilizzato per identificare e quantificare intermedi metabolici. In questo protocollo, le procedure per la preparazione di M. tubercolosi estratti cellulari per l'analisi NMR metabolomica sono descritti. Colture di cellule vengono coltivate in condizioni appropriate e richiesto livello di biosicurezza 3 di contenimento 1, raccolte e sottoposte a lisi meccanica pur mantenendo basse temperature per massimizzare la conservazione dei metaboliti. Lisati cellulari sono recuperati, filtrati sterilizzato, e conservati a temperature bassissime. Aliquote di questi estratti di cellule sono piastrate su agar Middlebrook 7H9 per unità formanti colonia per verificare l'assenza di cellule vitali. Su due mesi di incubazione a 37 ° C, se non vicolonie capaci si osservano, i campioni vengono rimossi dalla struttura di contenimento per il trattamento a valle. Sono estratti liofilizzati, risospese in tampone deuterato e iniettato nello strumento NMR, catturando dati spettroscopici che viene poi sottoposto ad analisi statistica. Le procedure descritte possono essere applicate sia unidimensionale (1D) 1 H NMR e bidimensionale (2D) 1 H-13 C NMR. Questa metodologia fornisce più affidabile di identificazione piccolo peso molecolare metabolita e analisi quantitative più affidabili e sensibili di composizioni estratto cellulare metaboliche rispetto ai metodi cromatografici. Variazioni della procedura descritta in seguito alla fase di lisi cellulare può anche essere adattato per parallela analisi proteomica.
1. Protocollo di testo
Questo protocollo mette in evidenza l'adattamento della metodologia NMR a M. tubercolosi (Classe III agente). Pertanto, le pratiche di biosicurezza di livello 3 (BSL3) devono essere seguite per lo svolgimento di M. ricerca tubercolosi in un laboratorio certificato annualmente. L'esposizione al laboratorio generati aerosol è il pericolo più importante incontrato da personale che lavora con questi microrganismi. Le seguenti procedure si svolgono nel nostro istituto e possono variare in base alle raccomandazioni del Comitato Istituzionale biosicurezza. Personale comuni dispositivi di protezione consiste in un abito Tyvek, tappo bouffant, stivaletti, respiratore N95, protezione per gli occhi, maniche, e una doppia coppia di guanti in nitrile. Lavori comportanti M. culture tubercolosi e / o manipolazioni con aperto M. tubercolosi contenitori avviene nel tipo A2 o B2 cappa di sicurezza biologica. Plastica ricoperto di carta assorbente è posto sul wavorare superficie. Tutti i materiali / forniture da smaltire o rimuovere l'impianto deve essere posto in due sacchi a rischio biologico e decontaminati in autoclave. Le superfici di lavoro e le attrezzature utilizzate all'interno del cabinet (FastPrep-24 lisi omogeneizzatore, spettrofotometro, secchiello con ghiaccio, ecc) devono essere disinfettati dopo ogni sessione di lavoro con 1% Amphyl (tubercolicida, agente battericida, fungicida, virucida e). M. culture tubercolosi deve essere sottoposto a doppio contenimento per il trasporto di grandi attrezzature che si trovano al di fuori della cappa di sicurezza biologica, come congelatori, incubatori, centrifughe, e frigorifero. La centrifugazione è condotta con coppe di sicurezza chiusi e O-ring tubi con tappo a vite. Per ulteriori analisi fuori del laboratorio BSL3, estratti acellulari sono filtrati attraverso un filtro di 0,2 pm o microrganismi uccisi calore a 95 ° C per 15 min. Due campioni vengono piastrate per verificare l'assenza di unità formanti colonie prima di rimuoverla dal contenimento.
Figura 1. Un diagramma di flusso delle procedure sperimentali è raffigurato.
NMR del buffer
Soluzione madre di 50 appassionato mM fosfato di potassioer con 50 TMSP pM:
MADC-TW o MOADC-TW (1 L)
ADC (1 L)
In alternativa, per preparare OADC (1L), aggiungere tutti i componenti sopra elencati più 50 ml di acido oleico 1% (ricetta sotto fa un lotto 250 ml). Sciogliere insieme, regolare il volume a 1 L e sterilizzare con 0,2 micron filtro. Bottiglia ha bisogno di essere avvolti in un foglio di alluminio e conservare a 4 ° C.
Se si preferisce, è possibile acquistare commerciale BD BBL Middlebrook ADC o OADC con arricchimento catalasi.
1% cicloeximide (100ml)
Sciogliere e sterilizzare con 0,2 micron filtro. Conservare a 4 ° C. Attenzione: cicloeximide è tossica quindi maneggiare con estrema cura.
20% (v / v) Tween 80 (100ml)
In alternativa, pesano 20 g di Tween 80 (circa 18,9 ml; densità 1,06 g / ml), per preparare 20% w / v soluzione. Calore soluzione a 55 ° C per 30 minuti per sciogliere e miscelare completamente. Sterilizzare liquido con un 0,2 micron filtro. Conservare la soluzione finale a temperatura ambiente.
20% (v / v) tyloxapol (100ml)
In alternativa, pesano 20 g di tyloxapol (circa 18,2 ml; densità 1,1 g / ml), per preparare 20% w / v soluzione. Calore soluzione a 55 ° C per 30 min a dissolve, e mescolare completamente. Sterilizzare liquido con un 0,2 micron filtro. Conservare la soluzione finale a temperatura ambiente.
Nota 1: le scorte della glicerina della M. tuberculosis vengono preparati utilizzando il seguente protocollo.
Calza di M. tubercolosi
Nota 2: inoculo ceppo H37Rv (-80 ° C disponibile fino a 1,5 anni) in 70 ml di mADC supporto produce un OD 600 </> Sub di circa 0,6 dopo 5 giorni di crescita a 37 ° C in condizioni di agitazione (100 rpm) a un Innova 40 Shaker.
Nota 3: Per verificare la contaminazione della cultura, gli investigatori potrebbero inoculare un'aliquota di cultura su guida standard medi ricchi e verificare l'assenza di crescita dopo incubazione per una notte. Di routine, le colture vengono piastrate su agar mADC per osservare la morfologia delle colonie ed esaminare in contrasto di fase microscopio. Se lo si desidera, le culture può essere verificata mediante PCR utilizzando primers IS 6110 come descritto 3.
2. Risultati rappresentativi
Un campione che è ben preparato produrrà uno spettro NMR simile a quello illustrato nella figura 2. Questo spettro è una rappresentazione del M. tubercolosi di tipo selvatico piscina metabolica. I metaboliti identificati sono direttamente o indirettamente associato al D-alanina pathway. Inoltre, la grandezza di intensità di picco è proporzionale alla concentrazione dei metaboliti presentarenell'estratto cella. Pertanto i cambiamenti di intensità di picco tra le culture non trattate, trattamento farmacologico, e ceppi mutanti può indicare perturbazioni in metaboliti e vie metaboliche. Il M. tuberculosis 1D 1 H NMR sono stati raccolti su un Bruker Avance 500 MHz spettrometro dotato tripla risonanza, asse Z cryoprobe gradiente. Lo spettro contiene ca. 400 cime, da cui è stato possibile identificare e quantificare 40-50 metaboliti, tra cui aminoacidi, precursori di nucleotidi, e intermedi e acido citrico e glicolitici. Un commutatore di BACS-120 campione con il software Bruker Icon è stato utilizzato per automatizzare la raccolta dei dati NMR. 1D 1 H NMR sono stati raccolti usando scolpire eccitazione 4 per rimuovere efficacemente il solvente e mantenere una linea di base piatta, eliminando la necessità di raccolta basale che possono indurre artefatti nella successiva analisi delle componenti principali (PCA) o ortogonali almeno parziale analisi discriminante quadrati (OPLS- DA). A 1D 1 H NMR sono raccolte a 25 ° C con una larghezza di spettro 5482,5 Hz e 32K punti dati. Un totale di 16 scansioni dummy e 128 scansioni sono state utilizzate per ottenere lo spettro. La 1D ACD Labs NMR software del processore è stato utilizzato per semi-automatico elaborare tutte le 1D 1 H NMR. Gli spettri sono stati trasformata di Fourier, graduale, e fa riferimento al picco TMSP (0,0 ppm). Il pacchetto software NMRpipe stato utilizzato per elaborare singolarmente il 2D 1 H-13 C NMR e analizzati con NMRDraw. Il Bruker FID file di dati era stato convertito in un formato di file riconoscibile da NMRpipe e lo spettro è stata trasformata di Fourier, correzione di fase, e zero riempito. I picchi NMR osservati nel 1D 1 H NMR 2D e 1 H-13 C NMR sono assegnate a specifici metaboliti mediante 1 H e 13 C Tolleranze di chemical shift di 0,05 e 0,50 ppm, rispettivamente, e il Madison Metabolomica Consorzio Database (MMCD ), 5 la BioMagResBank, 6 e il database umano metaboloma. 7 In particolare, gli spettri NMR 1D e 2D sono raccolte manualmente picco, dove la lista picco di NMR chemical shift viene poi caricato nel database umano metaboloma. I metaboliti identificati dal Database metaboloma umano sono assegnati allo spettro NMR basato sia massimizzare il numero delle corrispondenti risonanze NMR e appartenente ad una rete metabolica. Ogni composto o metabolita di solito ha più coppie CH e risonanze NMR corrispondentemente più. Così, più di queste risonanze NMR che si osservano nello spettro NMR sperimentale, più è probabile il metabolita è presente. Analogamente, identificando metaboliti multipli associati con lo stesso percorso aumenta la probabilità di assegnazioni corrette. La presenza di metaboliti e vie metaboliche sono verificati con l'Enciclopedia di Kyoto dei geni e genomi (KEGG) 8 ei database MetaCyc 9. Mycobacterium smegmATIS è un sistema modello utile per M. tubercolosi e altri patogeni micobatteriche. Come descritto altrove, campioni di M. smegmatis potrebbe anche essere interrotto da sonicazione 10.
Figura 2. 1D 1 H NMR del estratto cellulare Mycobacterium tuberculosis. Picchi NMR associati metaboliti rappresentativi sono etichettati. Abbreviazioni sono le seguenti: AMP, adenosina fosfato mono; α-Kg, α-chetoglutarato, Glu, glutammato e Ala, alanina.
Un numero significativo di studi ha analizzato i profili di trascrittomica e proteomica di M. tubercolosi sotto una varietà di in vitro e in vivo. 11-16 definitiva, cambiamenti nell'espressione genica e dell'attività enzimatica portare a variazioni nella concentrazione di piccole molecole di peso molecolare. La descrizione completa di questi composti costituisce il metaboloma. Pertanto, gli effetti delle droghe e delle condizioni di crescita variabile sulle vie metaboliche...
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Gli autori desiderano ringraziare tutti i membri dei laboratori del dottor Barletta e il Dott. Powers per gli utili commenti durante lo sviluppo del protocollo. Ringraziamo Wendy Austin per le discussioni utili e correzione di bozze del manoscritto. Il lavoro descritto in questo manoscritto è stato finanziato da borse di studio pilota di semi per ogni investigatore di cui sopra presso la University of Nebraska-Lincoln Center Biologia Redox (genitore sovvenzione # NCRR 2P20RR 017675, D. Becker, PI). Inoltre, ringraziamo il Dr. Ofelia Chacon per fornire fondi da lei R21 sovvenzioni (1R21AI087561-01A1) per le forniture di ricerca e di sostegno stipendio parziale signor Halouska di standardizzare le tecniche NMR riportati nella presente pubblicazione.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente / attrezzature | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
ADC Arricchimento | BD BBL Middlebrook | 212352 | |
BACS-120 Sample Changer | Bruker | ||
Bruker Avance NMR | Bruker | 500 MHz | |
Albumina di siero bovino | Fisher Scientific | BP1600-100 | Frazione V |
Centrifuga | Beckman Coulter | Allegra X-15R | Da banco |
Tubi per centrifuga | Corning | 430291 | 50 ml polipropilene sterile |
Fiale criogeniche | Corning | 430488 | 2,0 ml in polipropilene sterile |
Cycloheximide | AG scientifico | C-1189 | Tossico |
D (+) - Glucosio | ACROS | 41095-0010 | |
Ossido di deuterio | Sigma Aldrich | 617385 | |
Beuta | VWR | 89095-266 | Sterile, base piatta, policarbonato, 0,22 micron membrana in PTFE tappo ventilato |
Flash Freeze Flask | VWR | 82018-226 | 750 ml |
Liofilizzatore | VWR | 82019-038 | 4.5 L da banco |
Glicerina | GibcoBRL | 15514-029 | |
Incubatrice | Nuovo Brunswick | Innova 40 | Agitatore da banco |
Lisi Matrix B | MP Biomedicals | 6911-100 | |
Lysis macchina | MP Biomedicals | FastPrep-24 | |
Microcentrifuga | Eppendorf | 5415D | Da banco |
Microcentrifuga | Beckman Coulter | Microcentrifuga 22R | Da banco |
Brodo Middlebrook 7H9 | Difco | 271310 | |
NMR tubi | Norell | ST500-7 | 5 mM |
Arricchimento OADC | BD BBL Middlebrook | 212351 | |
Acido oleico | Sigma | O1008 | |
Fosfato di potassio bibasico | VWR | BDH0266 | |
Potassio fosfato monobasico | VWR | BDH0268 | |
Rotor - Microcentrifugare 22R | Beckman Coulter | F241.5P | Sigillata e polipropilene |
Rotor - Allegra X-15R | Beckman Coulter | SX4750 | Con bio-certificati coperture |
Cloruro di sodio | Fisher Scientific | S271-3 | |
Sodio-3-trimethylsilylpropionate-2 ,2,3,3-D4 | Cambridge Isotope | DLM-48 | |
Spettrofotometro | Beckman Coulter | DU-530 | |
Spettrofotometro Cuvette | Sagola di salvataggio | LS-2410 | 1,5 ml in polistirolo, 2 lati trasparenti |
Siringa | Becton Dickinson | 309585 | Sterile, 3 ml Luer-Lok |
Siringa Filtro | Nalgene | 190-2520 | Acetato di 0,2 micron di cellulosa sterile |
Tween 80 | Fisher Scientific | BP338-500 |
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