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I composti tiofenesulfonammidici sono potenti e specifici inibitori dei regolatori del quorum sensing del vibrione LuxR/HapR che ne bloccano l'attività in vivo, impedendo così la trascrizione dei geni per la virulenza, la motilità e i biofilm. Questo protocollo descrive in dettaglio come questi composti vengono sintetizzati, modellati in silico e analizzati in vivo per l'attività contro LuxR/HapR.
I batteri rilevano il numero di popolazioni locali utilizzando il quorum sensing, un metodo di comunicazione cellula-cellula ampiamente utilizzato per controllare i comportamenti batterici. Nelle specie Vibrio , i regolatori principali del quorum sensing LuxR/HapR controllano centinaia di geni quorum sensing, molti dei quali influenzano la virulenza, il metabolismo, la motilità e altro ancora. I tiofenesulfonammidi sono potenti inibitori di LuxR/HapR che legano la tasca del ligando in questi fattori di trascrizione e bloccano l'espressione genica del quorum sensing a valle. Questa classe di composti è servita come base per lo sviluppo di una serie di procedure semplici, robuste ed educative per gli studenti universitari per assimilare le loro competenze di chimica e biologia utilizzando un modello CURE: esperienza di ricerca universitaria basata su corsi. Vengono descritti protocolli ottimizzati che comprendono tre fasi di apprendimento in una piattaforma iterativa e multidisciplinare per coinvolgere gli studenti in una CURE della durata di un anno: (1) progettare e sintetizzare nuovi inibitori di piccole molecole basati sul nucleo di tiofenesulfonamide, (2) utilizzare la modellazione strutturale per prevedere l'affinità di legame con il bersaglio e (3) testare l'efficacia dei composti in saggi microbiologici contro specifiche proteine Vibrio LuxR/HapR. Il test reporter descritto eseguito in E. coli predice con successo l'efficacia dei composti contro le proteine bersaglio nelle specie native di Vibrio .
I batteri rilevano la densità della popolazione e il tipo di cellule vicine utilizzando un processo di comunicazione cellula-cellula chiamato quorum sensing (QS)1. Diversi cladi di batteri utilizzano il QS per controllare vari comportamenti, come la motilità, la formazione di biofilm, la secrezione del fattore di virulenza e altro ancora. Le proteine e i segnali coinvolti nel QS differiscono ampiamente tra i batteri. Nelle specie Vibrio , il sistema di segnalazione QS utilizza prevalentemente recettori ibridi istidina-chinasi legati alla membrana che riconoscono specifici segnali di piccole molecole affini chiamati autoinduttori2 (Figura 1). Questi recettori controllano il flusso di fosfato attraverso il sistema verso un regolatore di risposta che trascrive piccoli RNA. La produzione di sRNA altera la produzione del regolatore master quorum sensing, che è definito come un gruppo conservato di proteine chiamate collettivamente LuxR/HapR3. Così, a basse densità cellulari, l'mRNA che codifica LuxR/HapR viene degradato tramite il targeting dell'sRNA, e ad alta densità cellulare, la proteina LuxR/HapR viene prodotta ai massimi livelli (rivisto in Ball et al.3).
Il gruppo di proteine LuxR/HapR appartiene al grande gruppo delle proteine TetR, che è definito dalla presenza di un'elica-giro-elica nel dominio di legame del DNA, dalla formazione di un omodimero funzionale e tipicamente dall'inclusione di un dominio di legame del ligando4. Le proteine Vibrio LuxR/HapR soddisfano tutti questi criteri, anche se non è stato ancora identificato un ligando. La proteina LuxR/HapR in tutte le specie di Vibrioni studiate controlla numerosi comportamenti a valle, molti dei quali sono noti per essere importanti nella patogenesi: produzione di biofilm, proteasi, citotossine, emolisine, secrezione di tipo III e complessi di secrezione di tipo VI e altro ancora3. La delezione della proteina LuxR/HapR porta ad una diminuzione o perdita di virulenza nei sistemi ospiti 5,6,7, portando all'ipotesi che l'inibizione di queste proteine sia una strategia praticabile per contrastare la progressione della malattia. Le specie di vibrioni causano la malattia da vibriosi negli organismi marini, inclusi pesci, crostacei e coralli, nonché negli esseri umani che entrano in contatto o ingeriscono determinate specie.
Ricerche precedenti hanno identificato un pannello di composti tiofenesulfonammidici che si legano specificamente al dominio di legame del ligando delle proteine LuxR/HapR in diverse specie di Vibrio per bloccarne la funzione 5,8,9 (Figura 1). Utilizzando uno screening reporter in E. coli, i composti sono stati identificati e successivamente testati nel Vibrio nativo, che ha mostrato un'alta correlazione tra l'effetto nell'E. coli eterologo e l'efficacia nel Vibrio9. Questi composti sono semplici da sintetizzare in un unico passaggio, il che li rende ideali per la sintesi di piccole librerie nel contesto di un corso di laboratorio di biologia chimica. In precedenza è stata riportata un'esperienza di ricerca universitaria (CURE) di tre settimane basata su un corso che è stata progettata attorno a questa impalcatura molecolare8. Questo modulo di tre settimane è stato ulteriormente ottimizzato, semplificato e ampliato in questo CURE della durata di un anno, progettato per mirare all'inibizione delle proteine LuxR/HapR in diverse specie di Vibrio.
I dettagli dei reagenti e delle attrezzature utilizzate per lo studio sono elencati nella tabella dei materiali.
1. Progettazione e sintesi di librerie di tiofenesulfonamide
NOTA: Gli inibitori del tiofenesulfonamide come il 3-fenil-1-(tiofene-2-ilsulfonil)-1 H-pirazolo (PTSP) sono sintetizzati tramite la condensazione promossa dalla base in un solo passaggio 8,9, come mostrato nella Figura 2. Per progettare nuove librerie di composti per lo studio, i ricercatori devono procurarsi ammine e cloruri di sulfonile appropriati e seguire i passaggi riassunti di seguito. Se la struttura dell'ammina differisce notevolmente dal derivato aromatico del pirazolo, potrebbe essere necessario identificare condizioni di reazione alternative mediante una ricerca in letteratura. Questa procedura è robusta e anche basi come idrossido di sodio, trietilammina e piridina hanno funzionato bene. Se questo viene eseguito in un corso, agli studenti può essere data la libertà di scegliere la propria procedura con probabili risultati favorevoli.
2. Modellazione strutturale per prevedere il legame dei tiofenesulfonammidi al regolatore Vibrio LuxR/HapR
NOTA: Questo protocollo utilizza la versione web-based di AutoDock Vina chiamata Webina11 per agganciare gli inibitori di piccole molecole (PTSP in questo caso) nella tasca di legame del ligando dell'omologo LuxR/HapR chiamato SmcR da Vibrio vulnificus12. I risultati di questo protocollo sono (1) affinità di legame calcolate e (2) un file di struttura che può essere aperto in PyMol o in un programma correlato per visualizzare le interazioni ligando-proteina. Questo protocollo può essere adattato per qualsiasi piccola molecola e qualsiasi proteina con una tasca di legame del ligando. Ci vogliono pochi minuti per attraccare a SmcR perché l'area di ricerca di questo recettore è definita di seguito. Se è necessario definire l'area di ricerca di un nuovo recettore (passaggi 2.15-2.20), questo può essere completato in un periodo di laboratorio di 3 ore. Una volta definita l'area di ricerca, gli attracchi successivi richiederanno minuti.
3. Valutazione biologica dei tiofenesulfonammidici nell'inibizione del quorum sensing
NOTA: La procedura specifica per il dosaggio della proteina LuxR di Vibrio campbellii è descritta qui. Tuttavia, questa procedura può essere adattata per l'uso con qualsiasi proteina Vibrio LuxR/HapR, tutte disponibili su plasmidi a replicazione ectopica compatibili con il plasmide reporter pJV0649. Il test "red-green screen" viene eseguito in un background batterico eterologo utilizzando cellule di E. coli contenenti i due plasmidi. Il plasmide di espressione LuxR/HapR (che conferisce resistenza alla kanamicina) è disponibile esprimendo diversi geni LuxR (Figura 4A). Il plasmide pJV064 (che conferisce resistenza al cloramfenicolo) codifica per un gene gfp sotto il controllo di un promotore attivato da LuxR e per un gene mCherry sotto il controllo di un promotore represso da LuxR (Figura 4A). Entrambi i promotori sono stati scelti per la loro identificazione come geni regolati da LuxR con grandi cambiamenti nell'espressione in vivo15. I ceppi LuxR/HapR di E. coli e il plasmide pJV064 sono stati pubblicati in precedenza 9,15.
4. Lavaggio delle piastre di analisi nere per il riutilizzo
Come risultati rappresentativi, sono inclusi i dati di tre composti di tiofenesulfonamide sintetizzati da studenti universitari per i composti 1A, 2B e 3B (Figura 5A-C; descritti in dettaglio in Newman et al.9). Ogni composto è stato testato nel ceppo di E. coli che esprime V. campbellii LuxR e utilizza il plasmide reporter pJV064. La fluorescenza normalizzata per cellula ?...
Questo CURE è stato originariamente sviluppato come un protocollo abbreviato di due fasi e tre settimane (progettazione/sintesi e saggio) ed è stato implementato in cinque semestri come parte di un corso di laboratorio organico di livello superiore8. Dal rapporto originale, è stato aggiunto il modulo di modellazione al computer e il test di E. coli è stato ottimizzato per i ricercatori alle prime armi. Il protocollo risultante in tre fasi e due semest...
JVK e LCB rivelano interessi finanziari in Quornix, LLC, che potrebbero beneficiare dei risultati della ricerca sui composti tiofenesulfonamidici.
La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata supportata dal National Institute of General Medical Sciences del National Institutes of Health con il numero di premio R35GM124698 a JVK. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del National Institutes of Health.
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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