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Method Article
As bifidobactérias possuem uma capacidade genômica única para a clivagem de N-glicanos. A produção recombinante dessas enzimas seria uma nova ferramenta promissora para liberar N-glicanos bioativos de substratos ricos em glicoproteínas, como o colostro.
A glicosilação de proteínas é uma modificação pós-traducional diversa e comum que tem sido associada a muitos papéis importantes, como a função da proteína, incluindo dobramento de proteínas, estabilidade, proteção enzimática e reconhecimento biológico. Os N-glicanos ligados às glicoproteínas (como lactoferrina, lactaderina e imunoglobulinas) não podem ser digeridos pelo hospedeiro e chegam ao intestino grosso, onde são consumidos por certos micróbios benéficos. Portanto, eles são considerados compostos prebióticos de última geração que podem estimular seletivamente os microrganismos benéficos do microbioma intestinal. No entanto, o isolamento dessas novas classes de prebióticos requer novas enzimas. Aqui, descrevemos a produção recombinante de novas glicosidases de diferentes cepas de Bifidobacteria (isoladas de bebês, coelhos, galinhas e abelhas) para melhorar o isolamento de N-glicanos de glicoproteínas. O método apresentado neste estudo inclui as seguintes etapas: clonagem molecular de genes de Bifidobactérias por uma estratégia de clonagem recombinacional in vivo, controle do sucesso da transformação, indução de proteínas e purificação de proteínas.
A glicosilação é uma modificação pós-traducional muito importante observada em proteínas. Aproximadamente mais de 50% das proteínas são encontradas em suas formas glicosiladas em eucariotos. A N- e a O-glicosilação são os dois principais tipos de glicosilação 1,2. Os glicanos ligados a O (O-glicanos) são ligados covalentemente a proteínas via N-acetilgalactosamina ao grupo hidroxila de resíduos de aminoácidos serina (Ser) ou treonina (Thr). Os glicanos ligados a N (N-glicanos) são oligossacarídeos complexos, que estão covalentemente ligados ao resíduo de aminoácido asparagina (Asn) das proteínas através da N-acetilglucosamina (GlcNAc) em uma sequência de aminoácidos específica comoN-X-Ser/Thr e uma menos comum, AsN-X-Cys (cisteína) (onde X pode ser qualquer aminoácido, exceto prolina)3,4. O núcleo básico de N-glicano consiste em dois resíduos de HexNAc e três de manose. O alongamento adicional desse núcleo comum com outros monossacarídeos via enzimas glicosiltransferase e glicosidase determina o tipo de N-glicanos com base no grau de ramificação e no tipo de ligação5. Os N-glicanos são geralmente agrupados em três classes principais: manose alta (HM), tipo complexo (CT) e híbrido (HY)6.
Os N-glicanos são compostos indigestos pelos organismos hospedeiros devido à falta de enzimas glicosídeo hidrolase. Esses compostos chegam ao intestino delgado / grosso em uma forma não digerida, onde milhares de espécies bacterianas diferentes os utilizam, e podem atuar como prebióticos, promovendo micróbios intestinais especializados, especialmente espécies de Bifidobacterium 7. Descobertas recentes mostraram que os N-glicanos estimulam seletivamente o crescimento de certas espécies bacterianas 8,9. Os N-glicanos liberados das glicoproteínas do leite bovino estimularam seletivamente o crescimento de Bifidobacterium longum subespécie infantis (B. infantis), que é uma espécie crucial de Bifidobactérias no intestino do bebê, mas outras espécies de bifidobactérias, como Bifidobacterium animalis (B. animalis) não utilizaram esses compostos9. Além disso, um estudo in vivo recente demonstrou que 19 N-glicanos únicos da lactoferrina e imunoglobulinas do leite estimulam seletivamente o crescimento de B. infantis8. Especialmente, B. infantis possui uma capacidade genômica para clivagem e metabolismo de glicanos. Uma Endo-β-N-acetilglucosaminidase (EndoBI-1), pertencente à família das glicosil hidrolases 18, produzida recombinantemente a partir de B. infantis ATCC 15697, mostrou alta atividade sobre glicoproteínas do leite em condições in vitro 9,10. Esta nova enzima glicosídeo hidrolase pode clivar as partes N-N'-diacetilquitobiose encontradas nos N-glicanos 10,11. A atividade do EndoBI-1 não é afetada pela fucosilação do núcleo e diferentes condições de reação, como alta temperatura, pH, tempo de reação, etc. 3,11,12. Essa característica única das glicosídeos hidrolases bifidobacterianas fornece uma ferramenta promissora para a produção de N-glicanos a partir de substratos ricos em glicoproteínas, como o colostro bovino13,14.
Vários métodos de desglicosilação desenvolvidos química e enzimaticamente têm sido amplamente utilizados para obter N-glicanos e O-glicanos a partir de glicoproteínas 2,15. Os métodos químicos são amplamente utilizados em glicobiologia para desglicosilação de glicoproteínas devido à sua facilidade de uso, baixo custo e alta especificidade de substrato16. Os métodos de desglicosilação química mais comuns são a eliminação de β e a hidrazinação17. Dentre esses métodos, a eliminação β é baseada no princípio da clivagem dos glicanos das glicoproteínas por exposição das glicoproteínas a condições alcalinas. Os glicanos liberados podem ser degradados durante o processo devido às reações de β-eliminação, mas esse problema pode ser evitado com o uso de agentes redutores como o borohidreto de sódio (NaBH4)18,19,20. Existem diferentes limitações no método de eliminação β. Os agentes redutores convertem glicanos em alditóis, impedindo-os de se ligarem a um fluoróforo ou cromóforo. Assim, torna-se difícil monitorar a liberação de glicanos19,20. Devido ao alto teor de sal na etapa de limpeza do método, a eluição pode resultar em perdas amostrais20. Outro método para liberar glicano das glicoproteínas é o método da hidrazina baseado no princípio da reação de hidrólise após a adição de hidrazina anidra à glicoproteína. Por permitir o controle do isolamento de glicanos por meio da alteração das condições de reação, como a temperatura, o método de hidrazinação tem sido amplamente utilizado na glicobiologia21. A desglicosilação química também pode ser realizada com a formulação anidra de fluoreto de hidrogênio e ácido trifluoroacético, além de outros métodos de desglicosilação química 16,22,23. A liberação enzimática de N-glicanos a partir de glicoproteínas é comumente realizada por peptidil-N-glicosidases (PNGases) que geralmente liberam N-glicanos, independentemente de seu tamanho e carga 24,25,26,27. Semelhante aos métodos de desglicosilação química, o processo de desglicosilação enzimática tem diferentes desafios. As PNGases apresentam atividade na presença de diversos detergentes utilizados, que aumentam a acessibilidade enzimática aos glicanos. No entanto, esses tratamentos agressivos podem interromper os glicanos nativos e as estruturas polipeptídicas restantes28. As PNGases podem não clivar os glicanos quando há uma fucose ligada à N-acetilglucosamina29. Várias endoglicosidases, como F1, F2 e F3, mostram mais atividade nas proteínas nativas do que as PNGases. Essas endoglicosidases têm baixa atividade nos glicanos de múltiplas antenas, enquanto o novo EndoBI-1 resistente ao calor é eficaz em todos os tipos de N-glicanos 10,11,28. Em relação às limitações dos métodos atuais, é óbvio que novas enzimas ainda são necessárias para uma liberação eficaz de glicanos sem quaisquer restrições. Para isso, as espécies de bifidobactérias, que possuem uma grande ilha genômica que codifica várias enzimas glicosídeos hidrolases, permitem a clivagem de N-glicanos das glicoproteínas30,31. No âmbito deste contexto, o objetivo geral deste estudo é descobrir novas glicosidases das várias espécies de Bifidobactérias. Para produzir recombinantemente essas enzimas, diferentes etiquetas de fusão destinam-se a aumentar sua produção, bem como sua atividade.
1. Clonagem molecular de genes de bifidobactérias
2. Indução de L-ramnose da expressão proteica
3. Lise celular de células de E. coli quimicamente competentes contendo enzimas marcadas com His
4. Purificação de enzimas marcadas com His pelo método em lote
Enzimas membros da glicosil hidrolase selecionadas de diferentes origens foram alvo deste estudo. Supôs-se que a co-aplicação de diferentes enzimas com diferentes estruturas poderia proporcionar uma melhor liberação de glicanos, uma vez que evoluíram para serem ativas em diferentes glicoproteínas. A lista de genes-alvo e sua origem está listada na Tabela 1. As cepas bacterianas foram obtidas de coleções coordenadas de microrganismos da Bélgica. Os conjuntos de...
A estratégia de clonagem recombinacional in vivo usada para a clonagem molecular dos genes-alvo fornece resultados rápidos e confiáveis em comparação com outros protocolos tradicionais de clonagem. Embora existam muitos métodos convenientes para clonagem molecular, o método descrito neste artigo tem mais vantagens. O sistema de clonagem in vivo , ao contrário de outros sistemas de clonagem, não necessita de nenhum tratamento enzimático ou purificação dos pro...
Os autores não têm nada a divulgar.
Este estudo é apoiado pela TUBITAK #118z146 e Uluova Süt Ticaret A.Ş (Uluova Milk Trading Co.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EconoTaq PLUS 2X Master Mix | Lucigen | 30035-1 | Amplification of target genes (PCR) |
DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | 10977035 | Amplification of target genes (PCR) |
Safe-Red Loading Dye | abm | G108-R | DNA gel electrophoresis |
1 kb Plus DNA Ladder | GoldBio | D011-500 | DNA gel electrophoresis |
Qubit protein assay kit | Invitrogen | Q33211 | Measurement of DNA concentration |
LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | amresco | J106-2KG | Bacterial culture media |
Agarose | Invitrogen | 16500-500 | Bacterial culture mediaet al. |
Kanamycin Monosulfate | GoldBio | K-120-5 | Antibiotic in bacterial culture media |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, N-His | Lucigen | 49011-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, SUMO | Lucigen | 49013-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, C-His | Lucigen | 49012-1 | Cloning Kit |
Glycerol Solution | Sigma-Aldrich | 15524-1L-R | Preparation of glycerol stock |
L-Rhamnose monohydrate | Sigma-Aldrich | 83650 | Induction of protein expression |
2X Laemmli Sample Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
SureCast 40% (w/v) Acrylamide | Invitrogen | HC2040 | SDS-Page analysis |
SureCast APS | Invitrogen | HC2005 | SDS-Page analysis |
SureCast TEMED | Invitrogen | HC2006 | SDS-Page analysis |
10X Running Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
Triset al. | BioShop | TRS001.1 | SDS-Page analysis and cell lysis |
10% SDS | ClearBand | S100 | SDS-Page analysis |
PageRuler Plus Prestained Protein Ladder | ThermoFisher | 26619 | SDS-Page analysis |
Imidazole | Sigma-Aldrich | 56750 | Cell lysis |
NaCl | Sigma-Aldrich | 31434-5Kg-R | Cell lysis |
Sodium Phosphate Monobasic Anhydrous | amresco | 0571-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
Sodium Phosphate Dibasic Dihydrateet al. | Sigma-Aldrich | 04272-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
10-kDa-cut-off centrifugal filter | Amicon®- MERCK | UFC9010 | Purification of enzymes |
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