Name: preparation of fungal and plant materials for structural elucidation using dynamic nuclear polarization solid-state nmr
Uploaded: 2019-02-12T14:30:00
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この作品は、NSF イア 1833040 を通じて全米科学財団によって支えられました。国立高磁場研究所 (NHMFL) は、DMR 1157490 とフロリダ州の国立科学財団によってサポートされます。NHMFL でマス DNP システムは NIH S10 OD018519 と NSF チェ 1229170 によって一部で賄われて。

1. 13C、 15N 標識コウジカビの fumigatusの成長液体培地
<ol><li>ラベルの準備と13C、 15N 標識培 注: 両方酵母エキス ペプトン デキスト ロース中小企業 (YPD) 改良された最小限の中43真菌の培養の維持のため使用されました。オートクレーブ後のすべてのステップは、汚染を最小限に抑えるための層流フードで実行されます。<ol>
<li>ラベル?...

固体 NMR 生化学的方法と比較して、非破壊で高解像度技術として利点があります。NMR は定量的組成分析にも、他のほとんどの分析手法とは異なりはない不確実性導入して生体高分子の限られた溶解度によって。現在のプロトコルの確立は、炭水化物の豊富な生体材料、機能性高分子に関する今後の研究を促進します。しかし、共鳴割り当てとデータ分析が時間がかかりでき、通常、体系的な?...

炭水化物は、エネルギー貯蔵、構造の建物と細胞認識、接着など様々 な生物学的プロセスの中心的な役割を再生します。彼らは、植物、菌類、藻類、細菌1,2,3の基本的な部品である細胞壁で濃縮されています。細胞壁は抗菌療法4,5,6,7,8のための有望なターゲットと同様、バイオマテリアル、バイオ燃料の生産のための中央のソースとして提供しています,9。
これらの複合材料の現代理解は、4 つの主要な生化学的または遺伝学的方法を用いた構造解析に専念した努力の十年によって大幅に進められています。最初の主要な方法に依存している異なる部分に細胞壁を打破する過酷な化学物質や酵素を使用してシーケンシャル トリートメント組成が続いていると10の各分画中の糖の連鎖分析。このメソッドは、ポリマーのドメイン分布のライトを取除くが、解釈は、生体分子の化学的および物理的特性のため誤解を招く可能性があります。たとえば、アルカリ溶出画分匹敵する容解性の空間的分離分子から発生以下の構造分子の単一ドメインから元かどうかを判断することは困難です。第二に、抽出部分または全体の細胞壁も測定できます溶液 NMR を使用して共有結合連携、異なった分子11,12,13,間の架橋としてとも呼ばれますを決定する14,15。この方法で共有結合アンカーの詳細な構造を検出可能性があります。、しかし低溶解性多糖類、架橋サイトの比較的小さい数と安定非共有結合効果の無知により制限があります。水素結合、van der Waals 力、静電相互作用と高分子の絡み合いなどを含む多糖類のパッキング。第三に、結合親和性されている決定の in vitroプロシージャを変更可能性があります大幅に精製分離多糖類16,17,18,19, を使用して構造およびこれらの biomolecules のプロパティ。このメソッドは、高度な成膜および高分子の合成後にアセンブリをレプリケートするも失敗します。最後に、表現型、細胞の形態や特定の細胞壁成分の減衰の生産と遺伝的変異体の機械的特性、多糖類の構造機能上のライトを流したより分子証拠がこれらをブリッジに必要なタンパク質機械20のエンジニア リング関数と巨視的観察。
開発と多次元固体 NMR 分光法の応用における最近の進歩は、これらの構造のパズルを解くためのユニークな機会を導入しています。2 D ・ 3 D 固体 NMR 実験では、組成物の高解像度の調査および主要な摂動なしネイティブ状態での炭水化物の豊富な材料のアーキテクチャを有効にします。構造研究は、プライマリおよび二次細胞壁植物、触媒処理バイオマスで正常に行われている細菌のバイオ フィルム色素幽霊菌類で、最近筆者らは、病原性の真菌でそのまま細胞壁によってアスペルギルス21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. 動的核スピン偏極 (DNP)32,33,34,35,36,37,38の開発,39,40,41,42 DNP による感度向上は著しくこれらの複雑な生体材料の実験時間を短縮、大幅に NMR 構造解析が容易になります。ここで説明したプロトコルの詳細同位体標識A. fumigatus真菌と真菌を準備するための手順と固体 NMR と DNP の特性評価のための植物のサンプル。同じような変更された媒体、その他の菌類を適用する必要があります手順ラベリング、試料調製方法は他の炭水化物の豊富な生体材料に一般的に適用する必要があります。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ammonium Molybdate Tetrahydrate</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>12054-85-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AMUPol</td>
			<td>Cortecnet</td>
			<td>C010P002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical weighing balance</td>
			<td>Ohaus</td>
			<td>B730439218</td>
			<td>Model PA84C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bioclave 16 L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>470230-598</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biosafety Cabinet</td>
			<td>Labconco corporation</td>
			<td>302319100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Boric acid</td>
			<td>VWR</td>
			<td>BDH9222</td>
			<td>store at 15-30 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cobalt(II) Chloride Hexahydrate</td>
			<td>Honeywell|Fluka</td>
			<td>60820</td>
			<td>&#8805;98 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper(II) Sulfate Pentahydrate</td>
			<td>BDH</td>
			<td>BDH9312</td>
			<td>&#8805;98 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning LSE shaking incubator</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>7202152</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D2O</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>151882</td>
			<td>99.9 atom % D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>d6-DMSO</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>151874</td>
			<td>99.9 atom % D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>d8-glycerol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>447498</td>
			<td>&#8805;99 atom % D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dialysis tubing 3.2 kDa</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D2272</td>
			<td>132724</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dipotassium Phosphate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>BDH9266</td>
			<td>&#8805;98 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>G5516</td>
			<td>&#8805;99.5 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heraus Megafuge 16R Centrifuge</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific</td>
			<td>750004271</td>
			<td>Maximum RCF 25,830 x g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HR-MAS Disposable Insert Kit</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>B4493</td>
			<td>Kel-F</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron(II) Sulfate Heptahydrate</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>14498</td>
			<td>&#8805;99+ %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium Sulfate Heptahydrate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>10034998</td>
			<td>store at 18-26 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manganese(II) Chloride Tetrahydrate</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>11563</td>
			<td>&#8805;99 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monopotassium Phosphate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>470302-254</td>
			<td>&#8805;99 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH Meter</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>B706689216</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrasodium Ethylenediaminetetraacetate</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>13235-36-9</td>
			<td>&#8805;99.5 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zinc Sulfate Heptahydrate</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>33399</td>
			<td>&#8805;98 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12C3, d8-glycerol</td>
			<td>Cambridge Isotope Laboratory</td>
			<td>CDLM-8660</td>
			<td>12C3, 99.95%; D8, 98%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13C6-glucose</td>
			<td>Sigma Alrdrich</td>
			<td>364606</td>
			<td>&#8805;99 % (CP)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15N-sodium nitrate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>364606</td>
			<td>&#8805;98 % 15N, &#8805;99 (cp)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.2 mm sapphire NMR rotor</td>
			<td>Cortecnet</td>
			<td>B6939</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.2 mm Silicone plug</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>B7089</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 mm MAS Rotor Kit</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>H14355</td>
			<td>Zirconia</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of fungal and plant materials for structural elucidation using dynamic nuclear polarization solid-state nmr

このプロトコルはどれだけ均一に13C, 15N 標識真菌材料はすることができますを示しています生産し、実験固体 NMR と DNP の高感度化のためこれらのソフトマテリアルを進んだ必要がありますどのように。植物バイオマスのサンプル処理手順も詳細に示します。このメソッドにより、1 D および 2 D の13c-13C の一連の測定/15N 相関スペクトル、最小限の摂動による、天然状態の複雑な生体材料の高分解能構造解明を可能にします。同位体ラベリングは、1 D スペクトルの強度と 2次元相関スペクトルの偏光転送効率を定量化することで調べることができます。感度増大係数による動的核スピン偏極 (DNP) サンプル準備の成功を評価できます。さらに実験とタンパク質・多糖類の構造的側面を調べることは、三次元のアーキテクチャのモデルに します。これらのメソッドを変更および炭水化物の豊富な材料、植物、菌類、藻類、細菌の自然な細胞壁を含む合成、または炭水化物ポリマーと他の複雑な設計の広い範囲を調査に適応できます。分子。

実質的に NMR に対する感受性を高めるし、不可能な 2D 13c-13C と13C ・15N 相関スペクトル組成、水分補給、移動を分析するための一連の測定とのパッキングの同位体標識ポリマー、細胞壁アーキテクチャ (図 1) の三次元モデルを構築する統合されます。制服のラベリングが成功した場合 1 時間以内 1 D 13C、 <s...

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Preparation of Fungal and Plant Materials for Structural Elucidation Using Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR

真菌の準備、動的核偏極固体 NMR を用いた構造解明のための植物素材

多次元固体 NMR 分光法と動的核スピン偏極 (DNP) 調査の13C、15N 分類された真菌、植物サンプルを準備するためのプロトコルが表示されます。

This protocol shows how uniformly 13C, 15N-labeled fungal materials can be produced and how these soft materials should be proceeded for solid-state NMR ...

このプロトコルは、固体核磁気共鳴、NMR、および複合生体システム特性解析のための実験である動的核分極(DNP)のための真菌および植物材料を調製するために使用することができる。この技術により、生体材料を、例えば全細胞の天然環境で原子分解能レベルまで調査することができます。真菌材料に関する高解像度の構造情報の取得は、抗真菌薬の開発に役立ちます。この方法は、真菌細胞壁における複雑な炭水化物の組成および構造に関する洞察を提供し、植物、真菌、藻類、細菌を含む多くの炭水化物が豊富な生物に適用することができる。一部の研究者は、彼らの細胞培養における真菌汚染に苦しむかもしれません.私のアドバイスは、この汚染を防ぐために使用する前に、媒体と機器を徹底的に殺菌することです。このデモンストレーションは、NMRや細胞培養の経験がほとんどない研究者が、真菌および植物システムでこれらの技術を実装する方法を学ぶのに役立ちます。無標識液体成長培地を調製するには、6.5グラムの酵母エキスペプトンデキストロースまたはYPD粉末を100ミリリットルの蒸留水に溶解し、得られた溶液を摂氏134度で25分間オートクレーブします。ラベルなしの固形成長培地を調製するには、蒸留水100ミリリットルに6.5グラムのYPD寒天粉末を加え、培地を摂氏121度で25分間オートクレーブしてから、培地を約50°Cに冷却します。次に、溶かした固形成長培地の13〜15ミリリットルを個々の無菌プラスチックペトリ皿に移し、すぐに蓋を皿の上に置きます。炭素13、窒素15標識液体成長培地を調製するために、必要に応じて酸または塩基で6.6のpHに同位体含有最小培地の100ミリリットルの体積を調整します。次に、表に記載されている塩を蒸留水100ミリリットルに溶解し、炭素-13に添加し、窒素15標識された液体成長培地に加え、得られた溶液を摂氏121度で25分間オートクレーブします。溶液が室温まで冷却されたら、炭素-13、窒素15標識最小培地の全容に100マイクロリットルの微量元素溶液を加えます。真菌材料を成長させるために、少量の真菌を貯蔵からYPDプレートに移すために接種ループを使用し、30°Cのインキュベーターで2日間真菌を培養する。インキュベーションの最後に、新しい接種ループを使用して、活性成長性真菌端を炭素-13、窒素15標識液体成長培地に移し、30°C、1分あたり220回転の培養液を揺れ動くインキュベーターに3〜5日間置きます。大量の真菌がフラスコ底部を覆い液体に浮かべた場合は、遠心分離により真菌を回収し、上清を捨てます。適切な溶液でペレットを水和し、鉗子を使用してNMRおよびDNP分析のために十分に水和されたペレットの約0.5グラムを収集する。次に、残りの材料を円錐チューブに20%グリセロール溶液と混合し、長期保存のためにマイナス80°Cで真菌サンプルを置きます。固体NMR分析のためにA.fumigatusを調製するために、最初に3.5キロダルトン分子量カットオフを備えた透析袋を使用して、0.5グラムの炭素-13、窒素15標識された真菌サンプルを摂氏4度の1リットルに対して透析し、3日間、成長培地から小分子を除去します。透析の終わりに、遠心分離のためにサンプルを15ミリリットルのチューブに移し、均一にカーボン13標識され、十分に水分を補給したサンプルペーストの70〜80ミリグラムを4ミリメートルのジルコニウム二酸化ローターに詰める。金属棒を使用して、余分な水を吸収するために紙を使用して、サンプルを穏やかに繰り返し絞ります。次いで、ロータをしっかりとキャップし、固体NMR特性評価のために検光計にサンプルを挿入する。DNP分析のためにA.fumigatusを調製するには、炭素13、炭素15標識真菌サンプルあたり1.5ミリリットルマイクロ遠心分離管にDNPマトリックス100マイクロリットルを加え、各チューブに0.7ミリグラムの偏光剤を溶解して10ミリモルラジカルストックを形成します。ラジカルが溶液に完全に溶解していることを確認するために2〜3分間ボルテックスした後、偏光剤溶液の50マイクロリットルに透析炭素-13、窒素15標識真菌サンプルの10ミリグラムを浸し、害虫とモルタルを使用して混合物を穏やかに粉砕して多孔質細胞壁にラジカルの浸透を確実にする。さらに30マイクロリットルのラジカル溶液を地盤ペレットに加え、真菌サンプルをさらに水和し、ペレットを3.2ミリメートルのサファイアローターに詰めます。実例のように、軽く絞って余分なDNP溶媒を取り除き、3.2ミリメートルのシリコーンプラグを加えて水和の損失を防ぎます。次に、マイクロ波照射下でDNP強化スペクトルを測定するために、ルーチン実験用のNMR分光計またはDNP分光計にロータを加える。DNP研究用の植物材料を調製するには、カミソリの刃を使用して、均一に炭素13標識植物材料を1〜2ミリメートルに切断します。モルタルと害虫を使用して、最終的な粉末が均質な外観になるまで、より小さな粒子に粉砕します。植物材料に40マイクロリットルの10ミリモルラジカルストック溶液を加え、さらに5分間軽く粉砕してラジカルと均質な混合を確実にします。別の20マイクロリットルのラジカルストック溶液でグランドサンプルを水和し、平衡化された植物サンプルを3.2ミリメートルのサファイアローターにパックしてDNP分析を行います。次に、シリコーンプラグを挿入して水和の損失を避け、試料をDNP分光光度計に積み込みます。同位体標識はNMR感度を大幅に高め、一連の2次元炭素-13-炭素-13および炭素-13-窒素-15相関スペクトルを測定し、ポリマーの組成、水和、移動性、および充填を解析し、細胞壁アーキテクチャの立体モデルの構築のための統合を可能にします。2Dカーボン-13-カーボン-13スペクトルで対角線外の信号を得ることが困難な場合、統計的標識が生じた可能性があります。100万分の96と92の2つの炭素-13ピークは、グルコースのシグネチャーカーボン1信号です。したがって、35秒の長いリサイクル遅延で測定された定量的な炭素13直接偏光スペクトルにおけるそれらの強い強度は、典型的には不完全な透析または洗浄による小分子の優位性を示す。適切に標識されたサンプルを使用すると、長い範囲の相関をさらに測定して生体分子の空間的近接を検出し、無傷の細胞壁の構造モデルを構築することができます。この技術により、多くの自然発生および工学材料の構造機能を探求することができ、炭水化物が豊富な生体材料および機能性ポリマーの将来の研究を促進する。真菌によっては、ヒトに感染や系統的な病気を引き起こす可能性があるため、保護のためにラミナルフローフードで真菌物質を扱い、暴露を最小限に抑えるようにしてください。

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Preparation and Delivery of Protein Microcrystals in Lipidic Cubic Phase for Serial Femtosecond Crystallography

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Membrane proteins (MPs) are essential components of cellular membranes and primary drug targets. Rational drug design relies on precise structural ...

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固体核磁気共鳴分光法による高分子アセンブリの原子スケール構造の研究

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タンパク質結晶の成長を使用して異なる寸法自動結晶化その場の動的光散乱と相まって

The automated crystallization device is a patented technique1 especially developed for monitoring protein crystallization experiments with the aim to ...

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多量ホモ測定器と無料、フリー、オープン ソースの明るさ解析ソフトウェアを使用しての体外校正無料定量化

Number and brightness is a calibration-free fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS) technique for detecting protein homo-oligomerization. It can be ...

Modifying Baculovirus Expression Vectors to Produce Secreted Plant Proteins in Insect Cells

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It has been a challenge for scientists to express recombinant secretory eukaryotic proteins for structural and biochemical studies. The ...

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核磁気共鳴分光法 (NMR) とマイクロ働く (MST) による球状と糸状のタンパク質の相互作用を測定

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Fast Grid Preparation for Time-Resolved Cryo-Electron Microscopy

時間分解型クライオ電子顕微鏡のための高速グリッド調製

The field of cryo-electron microscopy (cryo-EM) is rapidly developing with new hardware and processing algorithms, producing higher resolution structures ...

Preparation of Sample Support Films in Transmission Electron Microscopy using a Support Floatation Block

支持浮遊ブロックを用いた透過電子顕微鏡におけるサンプル支持膜の作製

Structure determination by cryo-electron microscopy (cryo-EM) has rapidly grown in the last decade; however, sample preparation remains a significant ...

Large-Scale Multi-Omics Genome-Wide Association Studies (Mo-GWAS): Guidelines for Sample Preparation and Normalization

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大規模マルチオミクスゲノムワイド関連研究(Mo-GWAS):サンプル調製と正規化のためのガイドライン

Both gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) are widely used metabolomics approaches to detect ...