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Presentiamo il processo di isolamento, propagazione e caratterizzazione dei batteri che degradano gli idrocarburi dagli habitat acquatici. Il protocollo delinea l'isolamento batterico, l'identificazione con il metodo 16S rRNA e il test del loro potenziale di degradazione degli idrocarburi. Questo articolo aiuterebbe i ricercatori a caratterizzare la biodiversità microbica nei campioni ambientali e in particolare a selezionare i microbi con potenziale di biorisanamento.
Gli inquinanti idrocarburici sono recalcitranti alla degradazione e il loro accumulo nell'ambiente è tossico per tutte le forme di vita. I batteri codificano numerosi enzimi catalitici e sono naturalmente in grado di metabolizzare gli idrocarburi. Gli scienziati sfruttano la biodiversità negli ecosistemi acquatici per isolare i batteri con potenziale di biodegradazione e biorisanamento. Tali isolati dall'ambiente forniscono un ricco insieme di percorsi metabolici ed enzimi, che possono essere ulteriormente utilizzati per aumentare il processo di degradazione su scala industriale. In questo articolo, delineiamo il processo generale di isolamento, propagazione e identificazione delle specie batteriche dagli habitat acquatici e analizziamo la loro capacità di utilizzare gli idrocarburi come unica fonte di carbonio in vitro utilizzando tecniche semplici. Il presente protocollo descrive l'isolamento di varie specie batteriche e la loro successiva identificazione utilizzando l'analisi dell'rRNA 16S. Il protocollo presenta anche misure per caratterizzare il potenziale di degradazione degli idrocarburi degli isolati batterici. Questo protocollo sarà utile per i ricercatori che cercano di isolare le specie batteriche dagli habitat ambientali per le loro applicazioni biotecnologiche.
Gli idrocarburi (HC) sono ampiamente utilizzati sia come combustibili che in applicazioni chimiche. Gli idrocarburi aromatici come benzene, toluene e xilene sono ampiamente utilizzati come solventi1. Alcheni come etilene e propilene fungono da precursori nella sintesi di polimeri di polietilene e polipropilene, rispettivamente. Polimerizzazione di un altro idrocarburo, lo stirene forma polistirene. Le attività antropiche introducono idrocarburi nell'ambiente durante la loro produzione e trasporto. La contaminazione da idrocarburi del suolo e dell'acqua è fonte di gravi preoccupazioni per l'ambiente e la salute umana. I microbi svolgono un ruolo importante nel mantenimento dell'ecosistema regolando i cicli biogeochimici e utilizzando una vasta gamma di substrati, che includono anche inquinanti e xenobiotici, convertendoli in carbonio e fonte di energia. Questo processo di disintossicazione dei contaminanti ambientali da parte di microrganismi è noto come biorisanamento 3,4,5,6,7.
I microrganismi con la capacità di degradare gli idrocarburi si trovano negli habitat acquatici e del suolo 8,9,10. Sono stati identificati molti batteri con il potenziale di degradare alcani e HC aromatici, come Pseudomonas, Acinetobacter, Rhodococcus, Marinobacter e Oleibacter11. Lo sviluppo di approcci tecnologicamente avanzati indipendenti dalla coltura ha contribuito alla scoperta di nuove comunità microbiche che degradano l'HC12. Il materiale genomico isolato direttamente dai campioni sorgente viene amplificato e sequenziato con metodi ad alta produttività come il sequenziamento di nuova generazione (NGS), seguito dall'analisi eliminando la necessità di coltivare microrganismi. I metodi NGS, come l'analisi del metagenoma, sono costosi e presentano inconvenienti legati al processo di amplificazione13. Le tecniche di coltivazione come la coltura dell'arricchimento selettivo14 che mirano all'isolamento dei microbi che degradano gli idrocarburi sono ancora utili in quanto consentono ai ricercatori di sondare e manipolare le vie metaboliche negli isolati batterici.
L'isolamento del DNA genomico e il successivo sequenziamento del materiale genomico rivelano informazioni preziose su qualsiasi organismo. Il sequenziamento dell'intero genoma aiuta nell'identificazione di geni che codificano per la resistenza agli antibiotici, potenziali bersagli farmacologici, fattori di virulenza, trasportatori, enzimi che metabolizzano gli xenobiotici, ecc15,16,17. Il sequenziamento del gene codificante 16SrRNA ha dimostrato di essere una tecnica robusta per identificare la filogenesi batterica. La conservazione della sequenza e della funzione genica nel corso degli anni lo rende uno strumento affidabile per identificare batteri sconosciuti e confrontare un isolato con le specie più vicine. Inoltre, la lunghezza di questo gene è ottimale per l'analisi bioinformatica18. Tutte queste caratteristiche, insieme alla facilità di amplificazione genica utilizzando primer universali e al miglioramento della tecnologia di sequenziamento genico, lo rendono un gold standard per l'identificazione dei microbi.
Qui, descriviamo una procedura per recuperare microrganismi coltivabili con potenziale di degradazione dell'HC da campioni ambientali. Il metodo descritto di seguito delinea la raccolta e l'identificazione dei batteri che degradano l'HC ed è diviso in cinque sezioni: (1) raccolta di batteri da campioni d'acqua, (2) isolamento di colture pure, (3) esplorazione della capacità di degradazione dell'HC di isolati batterici (4) isolamento del DNA genomico e (5) identificazione basata sul sequenziamento del gene rRNA 16S e analisi BLAST. Questa procedura può essere adattata per isolare batteri per molte diverse applicazioni biotecnologiche.
1. Raccolta, elaborazione e analisi dei campioni
NOTA: Qui presentiamo un protocollo per isolare i batteri dagli habitat acquatici. Alcuni degli isolati possono essere patogeni, quindi indossare guanti e disinfettare l'area di lavoro prima e dopo l'uso.
2. Degradazione degli idrocarburi
NOTA: L'esempio seguente serve a schermare gli isolati che possono degradare lo stirene. Si tratta di una leggera modifica del metodo adattato in una precedente relazione25. Seguire i passaggi in condizioni asettiche.
3. Screening della degradazione del catecolo da parte di isolati batterici
NOTA: La degradazione di idrocarburi aromatici come stirene, benzene, xilene, naftalene, fenoli, ecc. produce catecoli come intermedi di reazione. I catecoli sono ulteriormente metabolizzati dai batteri con l'aiuto degli enzimi catecolo 1,2-diossigenasi e catecolo 2,3-diossigenasi attraverso le vie orto- e meta-scissione, rispettivamente26. Questi enzimi sono anche coinvolti nella degradazione di altri idrocarburi come il clorobenzene27. Il protocollo menzionato di seguito utilizza il lisato di cellule intere per il saggio enzimatico catecolo 2, 3-diossigenasi28. Lo stesso metodo di lisi può essere utilizzato per schermare l'attività della catecolo 1, 2-diossigenasi. Tuttavia, la composizione della miscela di reazione varierà. Entrambi gli enzimi sono inducibili in natura e possono essere indotti dall'aggiunta di fenolo ai mezzi di crescita.
4. Isolamento genomico del DNA della coltura pura
NOTA: Questo è il protocollo generale per l'isolamento del DNA genomico. La colorazione di Gram è stata eseguita durante la fase di raccolta, elaborazione e analisi del campione. A causa della variazione dello spessore della parete cellulare dei batteri gram-positivi e gram-negativi, il metodo di lisi cellulare viene modificato di conseguenza. Indossare guanti durante l'isolamento e disinfettare il banco di lavoro con etanolo al 70% per evitare che le nucleasi degradino il DNA. Alcune delle sostanze chimiche menzionate di seguito possono causare gravi ustioni sulla pelle e deve essere presa la dovuta attenzione durante la loro manipolazione.
5. Sequenziamento dell'rRNA 16S
NOTA: Il protocollo descritto di seguito è per l'amplificazione e il sequenziamento dell'rRNA 16S per l'identificazione batterica. Le informazioni derivate dalla sequenza di rRNA 16S vengono utilizzate per l'identificazione di un organismo sconosciuto e per trovare la correlazione tra diversi organismi.
Lo schema che delinea l'intera procedura per l'isolamento e lo screening dei batteri dagli habitat acquatici e la loro successiva identificazione mediante analisi dell'rRNA 16S è rappresentato nella Figura 1. I campioni d'acqua provenienti da una zona umida a Dadri, in India, sono stati raccolti in bottiglie di vetro sterili e immediatamente portati in laboratorio per l'elaborazione. I campioni sono stati fatti passare attraverso fogli filtranti con una dimensione dei pori ...
È ben noto che solo circa l'1% dei batteri sulla Terra può essere facilmente coltivato in laboratorio6. Anche tra i batteri coltivabili, molti rimangono non caratterizzati. I miglioramenti nei metodi molecolari hanno dato una nuova dimensione all'analisi e alla valutazione delle comunità batteriche. Tuttavia, tali tecniche hanno dei limiti, ma non rendono superflue le analisi colturali. Le tecniche di coltura pura per isolare le singole specie batteriche rimangono il meccanismo primario per la ...
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Ringraziamo il Dr. Karthik Krishnan e i membri del laboratorio RP per i loro utili commenti e suggerimenti. DS è supportato da SNU-Doctoral fellowship e Earthwatch Institute India Fellowship. Il laboratorio RP è supportato da una sovvenzione CSIR-EMR e da fondi di start-up della Shiv Nadar University.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agarose | Sigma-Aldrich | A4718 | Gel electrophoresis |
Ammonium chloride (NH4Cl) | Sigma-Aldrich | A9434 | Growth medium component |
Ammonium sulphate | Sigma-Aldrich | A4418 | Growth medium component |
Bacto-Agar | Millipore | 1016141000 | Solid media preparation |
Calcium chloride (CaCl2) | MERCK | C4901-500G | Growth medium component |
Catechol | Sigma-Aldrich | 135011 | Hydrocarbon degradation assay |
Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB | Sigma-Aldrich | H6269 | Genomic DNA Isolation |
Chloroform | HIMEDIA | MB109 | Genomic DNA isolation |
Disodium phosphate (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S5136 | Growth medium component |
EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | gDNA buffer component |
Ferrous sulphate, heptahydrate (FeSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | 215422 | Growth medium component |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | Growth medium component |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | Growth medium component; Glycerol stocks |
Isopropanol | HIMEDIA | MB063 | Genomic DNA isolation |
LB Agar | Difco | 244520 | Growth medium |
Luria-Bertani (LB) | Difco | 244620 | Growth medium |
Magnesium sulphate (MgSO4) | MERCK | M2643 | Growth medium component |
Manganese (II) sulfate monohydrate (MnSO4.H20) | Sigma-Aldrich | 221287 | Growth medium component |
Nutrient Broth (NB) | Merck (Millipore) | 03856-500G | Growth medium |
Peptone | Merck | 91249-500G | Growth medium component |
Phenol | Sigma-Aldrich | P1037 | Genomic DNA isolation |
Potassium phosphate, dibasic (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | P3786 | Growth medium component |
Potassium phosphate, monobasic (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | Growth medium component |
Proteinase K | ThermoFisher Scientific | AM2546 | Genomic DNA isolation |
QIAquick Gel Extraction kit | QIAGEN | 160016235 | DNA purification |
QIAquick PCR Purification kit | QIAGEN | 163038783 | DNA purification |
R2A Agar | Millipore | 1004160500 | Growth medium |
SmartSpec Plus Spectrophotometer | BIO-RAD | 4006221 | Absorbance measurement |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | Genomic DNA isolation |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | Growth medium component |
Sodium dodecyl sulphate (SDS) | Sigma-Aldrich | L3771 | Genomic DNA isolation |
Styrene | Sigma-Aldrich | S4972 | Styrene biodegradation |
Taq DNA Polymerase | NEB | M0273X | 16s rRNA PCR |
Tris-EDTA (TE) | Sigma-Aldrich | 93283 | Resuspension of genomic DNA |
Tryptic Soy Broth (TSB) | Merck | 22092-500G | Growth medium |
Yeast extract | Sigma-Aldrich | Y1625-1KG | Growth medium component |
Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | 221376 | Growth medium component |
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