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Os compostos de tiofenesulfonamida são inibidores potentes e específicos dos reguladores de detecção de quorum Vibrio LuxR / HapR que bloqueiam sua atividade in vivo, impedindo assim a transcrição de genes para virulência, motilidade e biofilmes. Este protocolo detalha como esses compostos são sintetizados, modelados in silico e testados in vivo quanto à atividade contra LuxR / HapR.
As bactérias detectam números da população local usando quorum sensing, um método de comunicação célula-célula amplamente utilizado para controlar comportamentos bacterianos. Nas espécies de Vibrio , os reguladores mestres de detecção de quorum LuxR / HapR controlam centenas de genes de detecção de quorum, muitos dos quais influenciam a virulência, metabolismo, motilidade e muito mais. As tiofenesulfonamidas são potentes inibidores de LuxR / HapR que se ligam à bolsa do ligante nesses fatores de transcrição e bloqueiam a expressão gênica de detecção de quorum a jusante. Essa classe de compostos serviu de base para o desenvolvimento de um conjunto de procedimentos simples, robustos e educacionais para estudantes universitários assimilarem suas habilidades de química e biologia usando um modelo CURE: experiência de pesquisa de graduação baseada em curso. São descritos protocolos otimizados que compreendem três estágios de aprendizado em uma plataforma iterativa e multidisciplinar para envolver os alunos em uma CURA de um ano: (1) projetar e sintetizar novos inibidores de moléculas pequenas com base no núcleo de tiofenessulfonamida, (2) usar modelagem estrutural para prever a afinidade de ligação ao alvo e (3) testar os compostos quanto à eficácia em ensaios microbiológicos contra proteínas específicas de Vibrio LuxR / HapR. O ensaio repórter descrito realizado em E. coli prevê com sucesso a eficácia dos compostos contra proteínas-alvo nas espécies nativas de Vibrio .
As bactérias detectam a densidade populacional e o tipo de células próximas usando um processo de comunicação célula-célula chamado quorum sensing (QS)1. Diversos clados de bactérias usam QS para controlar vários comportamentos, como motilidade, formação de biofilme, secreção de fator de virulência e muito mais. As proteínas e sinais envolvidos no QS diferem amplamente entre as bactérias. Nas espécies Vibrio , o sistema de sinalização QS usa predominantemente receptores híbridos de histidina-quinase ligados à membrana que reconhecem sinais específicos de pequenas moléculas cognatas chamadas autoindutores2 (Figura 1). Esses receptores controlam o fluxo de fosfato através do sistema para um regulador de resposta que transcreve pequenos RNAs. A produção de sRNAs altera a produção do regulador de detecção de quorum mestre, que é definido como um grupo conservado de proteínas coletivamente chamado LuxR / HapR3. Assim, em baixas densidades celulares, o mRNA que codifica LuxR / HapR é degradado por meio do direcionamento de sRNA e, em alta densidade celular, a proteína LuxR / HapR é produzida em níveis máximos (revisado em Ball et al.3).
O grupo de proteínas LuxR / HapR pertence ao grande grupo de proteínas TetR, que é definido pela presença de uma hélice-volta-hélice no domínio de ligação ao DNA, formação de um homodímero funcional e, tipicamente, a inclusão de um domínio de ligação ao ligante4. As proteínas Vibrio LuxR / HapR se encaixam em todos esses critérios, embora um ligante ainda não tenha sido identificado. A proteína LuxR / HapR em todas as espécies de Vibrio estudadas controla vários comportamentos a jusante, muitos dos quais são conhecidos por serem importantes na patogênese: produção de biofilmes, proteases, citotoxinas, hemolisinas, secreção tipo III e complexos de secreção tipo VI e muito mais3. A deleção da proteína LuxR / HapR leva a uma diminuição ou perda de virulência nos sistemas hospedeiros 5,6,7, levando à hipótese de que a inibição dessas proteínas é uma estratégia viável para neutralizar a progressão da doença. As espécies de Vibrio causam doenças de vibriose em organismos marinhos, incluindo peixes, moluscos e corais, bem como em humanos que entram em contato ou ingerem certas espécies.
Pesquisas anteriores identificaram um painel de compostos de tiofenesulfonamida que se ligam especificamente ao domínio de ligação ao ligante das proteínas LuxR / HapR em várias espécies de Vibrio para bloquear sua função 5,8,9 (Figura 1). Usando uma tela repórter em E. coli, os compostos foram identificados e posteriormente testados no Vibrio nativo, que mostrou uma alta correlação entre o efeito na E. coli heteróloga e a eficácia no Vibrio9. Esses compostos são simples de sintetizar em uma única etapa, tornando-os ideais para síntese de pequenas bibliotecas no contexto de um curso de laboratório de biologia química. Uma experiência de pesquisa de graduação baseada em curso de três semanas (CURE) que foi projetada em torno desse andaime molecular foi relatada anteriormente8. Este módulo de três semanas foi ainda mais otimizado, simplificado e ampliado neste CURE de um ano, projetado para atingir a inibição das proteínas LuxR / HapR em diversas espécies de Vibrio.
Os detalhes dos reagentes e do equipamento usado para o estudo estão listados na Tabela de Materiais.
1. Desenho e síntese de bibliotecas de tiofenessulfonamida
NOTA: Os inibidores de tiofenesulfonamida, como o 3-fenil-1-(tiofen-2-ilsulfonil)-1H-pirazol (PTSP), são sintetizados por meio da condensação promovida por base de uma etapa 8,9, conforme mostrado na Figura 2. Para projetar novas bibliotecas de compostos para estudo, os pesquisadores devem adquirir aminas e cloretos de sulfonila apropriados e seguir as etapas resumidas abaixo. Se a estrutura da amina difere muito do derivado aromático do pirazol, então condições alternativas de reação podem precisar ser identificadas pesquisando a literatura. Este procedimento é robusto e bases como hidróxido de sódio, trietilamina e piridina também funcionaram bem. Se isso for realizado em um curso, os alunos podem ter a liberdade de escolher seu próprio procedimento com prováveis resultados favoráveis.
2. Modelagem estrutural para prever a ligação de tiofenesulfonamidas ao regulador Vibrio LuxR/HapR
NOTA: Este protocolo utiliza a versão baseada na web do AutoDock Vina chamada Webina11 para acoplar inibidores de pequenas moléculas (PTSP neste caso) no bolso de ligação do ligante do homólogo LuxR / HapR chamado SmcR de Vibrio vulnificus12. Os resultados deste protocolo são (1) afinidades de ligação calculadas e (2) um arquivo de estrutura que pode ser aberto no PyMol ou em um programa relacionado para visualizar as interações ligante-proteína. Este protocolo pode ser adaptado para qualquer molécula pequena e qualquer proteína com uma bolsa de ligação ao ligante. Leva minutos para encaixar no SmcR porque a área de busca por esse receptor é definida abaixo. Se a área de pesquisa precisar ser definida para um novo receptor (etapas 2.15-2.20), isso pode ser concluído em um período de laboratório de 3 horas. Depois que a área de pesquisa for definida, os encaixes subsequentes levarão minutos.
3. Avaliação biológica de tiofenossulfonamidas na inibição de quorum sensing
NOTA: O procedimento específico para dosear a proteína LuxR do Vibrio campbellii é descrito aqui. No entanto, este procedimento pode ser adaptado para uso com qualquer uma das proteínas Vibrio LuxR / HapR, todas disponíveis em plasmídeos replicantes ectopicamente compatíveis com o plasmídeo repórter pJV0649. O ensaio de "tela vermelho-verde" é realizado em um fundo bacteriano heterólogo usando células de E. coli contendo os dois plasmídeos. O plasmídeo de expressão LuxR / HapR (conferindo resistência à canamicina) está disponível expressando diferentes genes LuxR ( Figura 4A ). O plasmídeo pJV064 (conferindo resistência ao cloranfenicol) codifica um gene gfp sob o controle de um promotor ativado por LuxR e um gene mCherry sob o controle de um promotor reprimido por LuxR (Figura 4A). Ambos os promotores foram escolhidos devido à sua identificação como genes regulados por LuxR com grandes alterações na expressão in vivo15. As cepas LuxR/HapR de E. coli e o plasmídeo pJV064 foram publicados anteriormente 9,15.
4. Lavar as placas de ensaio pretas para reutilização
Como resultados representativos, são incluídos dados de três compostos de tiofenesulfonamida sintetizados por estudantes de graduação para os compostos 1A, 2B e 3B (Figura 5A-C; descrito em detalhes em Newman et al.9). Cada composto foi testado na cepa de E. coli expressando V. campbellii LuxR e usando o plasmídeo repórter pJV064. A fluorescência normalizada por cél...
Este CURE foi originalmente desenvolvido como um protocolo abreviado de dois estágios e três semanas (projeto/síntese e ensaio) e foi implementado em cinco semestres como parte de um curso de laboratório orgânico de nível superior8. Desde o relatório original, o módulo de modelagem computacional foi adicionado e o ensaio de E. coli foi otimizado para pesquisadores iniciantes. O protocolo resultante de três estágios e dois semestres foi implement...
A JVK e a LCB divulgam interesses financeiros na Quornix, LLC, que podem se beneficiar dos resultados da pesquisa sobre compostos de tiofenesulfonamida.
A pesquisa relatada nesta publicação foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde sob o número de concessão R35GM124698 à JVK. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais dos Institutos Nacionais de Saúde.
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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