Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Методы экстракции сильно влияют на структуру бактериального гликогена, что может привести к молекулярной деградации и/или смещению выборки. Важно разработать методы, позволяющие свести эти проблемы к минимуму. Здесь были сравнены четыре метода экстракции с использованием распределения по размерам и распределения длины цепи в качестве ключевых критериев для минимизации артефактов экстракции.
В настоящее время существует множество методов экстракции гликогена, которые либо повреждают пространственную структуру гликогена, либо лишь частично экстрагируют гликоген, что приводит к смещенной характеристике тонкомолекулярной структуры гликогена. Чтобы понять динамические изменения структуры гликогена и универсальные функции частиц гликогена у бактерий, необходимо изолировать гликоген с минимальной деградацией. В этом исследовании продемонстрирован метод мягкого выделения гликогена с использованием осаждения холодной водой (CW) с помощью ультрацентрифугирования с градиентом плотности сахара (SDGU-CW). Для сравнения также были проведены традиционный метод трихлоруксусной кислоты (ТСА) и метод гидроксида калия (КОН). Широко используемый лабораторный штамм, Escherichia coli BL21(DE3), был использован в качестве модельного организма в этом исследовании в демонстрационных целях. После экстракции частиц гликогена с помощью различных методов их структуры были проанализированы и сравнены с помощью эксклюзионной хроматографии (SEC) для распределения частиц по размерам и флуорофорного капиллярного электрофореза (FACE) для линейного распределения длины цепи. Анализ подтвердил, что гликоген, экстрагированный с помощью SDGU-CW, имеет минимальную деградацию.
Гликоген представляет собой сильно разветвленный полисахарид, состоящий из глюкозильных остатков, а также небольшого, но значительного количества белков, в котором все глюкозильные остатки связаны между собой α-1,4-гликозидными связями в линейных цепях и α-1,6-гликозидными связями в точках ветвления1. Структура частиц гликогена обычно делится на три иерархии: 1) короткоцепочечные олигомеры, 2) сферические β частицы (~20 нм в диаметре) и 3) крупные розеткообразные α частицы, агрегированные вместе β частицами, диаметр которых колеблется примерно до 300 нм. В последнее время было установлено, что частицы гликогена α имеют у эукариот два структурных состояния: хрупкое состояние и стабильное состояние. В данном случае хрупкость означает диссоциацию более крупных α частиц на более мелкие β частицы в присутствии хаотропного агента, такого как ДМСО2. Дальнейшие анализы показали, что частицы гликогена α в диабетической печени постояннохрупкие3, а хрупкие частицы α разлагаются гораздо быстрее, чем стабильные частицы α4. Таким образом, структурная хрупкость гликогена может усугубить гипергликемические состояния при диабете 2,4, что делает хрупкие α-частицы потенциальным патологическим биомаркером диабета на молекулярном уровне. Тем не менее, о существовании частиц гликогена α у прокариотсообщается лишь эпизодически5, и нет никаких сообщений о двух различных структурных состояниях частиц гликогена α у бактерий.
Для того чтобы понять физиологические функции частиц бактериального гликогена, необходимо определить тонкую структуру молекул гликогена, что требует выделения гликогена с максимальным выходом и минимальной деградацией. До сих пор были разработаны различные методы экстракции гликогеном, включая, помимо прочего, экстракцию горячей водой, экстракцию трихлоруксусной кислотой (ТСА) и экстракцию горячей щелочью (гидроксид калия, KOH)6. Кроме того, сообщалось о другом методе, который обычно используется для выделения эукариотического гликогена, методе ультрацентрифугирования с градиентом плотности сахара (SDGU), для выделения бактериального гликогена у Selenomonas ruminantium и Fibrobacter succinogenes 7,8. Несмотря на то, что плюсы и минусы этих методов широко обсуждались в исследованиях эукариот 9,10, редко проводятся сравнительные исследования тонких структур гликогена, выделенных различными методами экстракции у бактерий с точки зрения структур гликогеновых частиц.
В данном исследовании этот вопрос был решен с использованием Escherichia coli BL21 (DE3) в качестве модельного организма. В общей сложности сравнивались четыре метода экстракции гликогеном, а именно: экстракция горячей водой с осаждением ТСА (TCA-HW), экстракция холодной водой с осаждением TCA (TCA-CW), экстракция горячим 30% раствором KOH (KOH-HW) и экстракция холодной водой с использованием ультрацентрифугирования с градиентом плотности сахарозы (SDGU-CW). Распределение частиц гликогена по размерам затем измеряли с помощью эксклюзионной хроматографии (SEC), а распределение длины цепи определяли с помощью флуорофорного электрофореза углеводов (FACE), оба из которых использовались для оценки качества методов экстракции. Кроме того, стабильность и хрупкость частиц бактериального гликогена α также сравнивались между различными методами экстракции путем сравнения распределения частиц по размерам до и после обработки широко используемым хаотропным агентом, диметилсульфоксидом (ДМСО). Подробные процедуры экстракции гликогена и определения структурных характеристик представлены ниже. Таким образом, метод SDGU-CW имеет наилучший общий эффект с точки зрения структурной целостности гликогена и, следовательно, рекомендуется для экстракции бактериального гликогена в будущих соответствующих исследованиях.
1. Культивирование и сбор бактерий
2. Экстракция гликогена
3. Определение структуры гликогена
Распределение частиц гликогена по размерам
Ряд исследований показал, что частицы гликогена α печени при диабете хрупкие и легко расщепляются в разрушителе водородных связей ДМСО 11,12,13,14....
Гликоген является важным энергетическим резервом, который был идентифицирован у многих бактерий16. Чтобы проанализировать физиологические функции частиц гликогена, важно лучше понимать тонкую структуру молекул гликогена. На сегодняшний день разработа?...
У авторов нет конфликта интересов.
Мы очень благодарны профессору Роберту Г. Гилберту из Университета Квинсленда и Университета Янчжоу, который поделился своими знаниями и опытом, которые в значительной степени помогли завершить это исследование. Мы выражаем признательность за финансовую поддержку Национальному фонду естественных наук Китая (No 31900022, No 32171281), Фонду естественных наук провинции Цзянсу (No . BK20180997), Молодежная команда по инновациям в области науки и техники Медицинского университета Сюйчжоу (No. TD202001) и проект Цзянсу Цинлань (2020).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
Agilent 1260 infinity SEC system | Agilent | 1260 infinity II | Particle size distribution |
Analytical column | PSS | 10-1000 | - |
Centrifuge | Eppendorf | 5420 | - |
Filter membrane | Cambio | Km-0220 | - |
Fluorescence-assisted capillary electrophoresis system | Beckman Coulter | - | Chain length distribution |
Freeze dryer | Xinzhi | SCIENTZ-10N | Lyophilization of bacteria and glycogen |
Freezer | Thermo Fisher | Forma 900 | Sample storage |
Guard column | PSS | SUPPERMA | - |
Incubator | Thermo Fisher | PR505750R-CN | - |
Low-speed large-capacity centrifuge | Hexi | HR/T20MM | Sample centrifugation |
Multiskan FC microplate reader | Thermo Fisher | 1410101 | - |
Optima XPN ultracentrifuge | Beckman | XPN-100/90/80 | For glycogen |
Oscillator | Xinbao | SHZ-82 | - |
PA-800 Plus System | Beckman Coulter | A66528 | - |
pH meter | Mettler Toledo | FE28 -TRIS | - |
Refractive index detector | Wyatt | Optilab T-rEX | - |
Refrigerator | Haier | BCD-406WDPD | - |
Thermomixer | Shanghai Jingxin | JXH-100 | Sample incubation |
Transmission electron microscope | Hitachi Corporation | H-7000 | Glycogen particle morphology |
Ultracentrifuge tube | Beckman | 355651 | - |
Ultrasonic cell crusher | Ningbo Xinzhi | Scientz-IID | Bacteria disruptor |
Ultrasonic oscillating water bath | Jietuo | JT-1027HTD | - |
Vortex mixer | Tiangen | OSE-VX-01 | - |
Water system | Merck Millipore | H2O-MM-UV-T | Deionized water |
Material | |||
8-Aminopyrene-1,3,6-Trisulfonic Acid Trisodium Salt | Sigma-Aldrich | 196504-57-1 | - |
Absolute ethanol | Guoyao | 10009228 | - |
Agar powder | Solarbio | A1890 | - |
Alpha-amylase | Megazyme | E-BLAAM-40ML | - |
Amyloglucosidase | Megazyme | E-AMGDF-40ML | - |
cOmplete Mini | Roche | 4693159001 | - |
D-(+)Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-1kg | - |
D-Glucose Assay Kit (GOPOD Format) | Megazyme | K-GLUC | Glycogen quantification |
Dimethyl sulfoxide | Vicmed | Vic147 | Chaotropic agent |
E. coli BL21(DE3) | Tiangen | CB105-02 | - |
Ethylene diamine tetra-acetic acid | Vicmed | Vic1488 | - |
Glacial acetic acid | Guoyao | 10000218 | - |
Glycerol | Guoyao | 10010618 | Bacterial storage |
Hydrochloric acid | Guoyao | 10011008 | - |
Hydroxymethyl aminomethane | Sigma-Aldrich | V900483-500g | - |
Isoamylase | MegaZyme | 9067-73-6 | Glycogen debranch |
Lithium chloride | Sigma-Aldrich | 62476-100g | - |
M9, Minimal Salts, 5× | Sigma-Aldrich | M6030-1kg | Bacterial culture |
Potassium hydroxide | Guoyao | 10017008 | - |
Pullulan standard | PSS | - | - |
Sodium acetate trihydrate | Guoyao | 10018718 | - |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | 26628-22-8 | - |
Sodium chloride | Guoyao | 10019318 | Bacterial culture |
Sodium cyanoborohydride | Huaweiruike | hws001297 | - |
Sodium diphosphate | Sigma-Aldrich | 71515-250g | - |
Sodium Fluoride | Macklin | S817988-250g | - |
Sodium hydroxide | Guoyao | 10019762 | - |
Sodium nitrate | Guoyao | 10019928 | - |
Sodium pyrophosphate | Sigma-Aldrich | V900195-500g | - |
Sucrose | Guoyao | 10021463 | - |
Trichloroacetic acid | Guoyao | 40091961 | - |
Tryptone | Oxoid | LP0042 | Bacterial culture |
Yeast Extract | Oxoid | LP0021 | Bacterial culture |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены