Elettrochimico rilevamento di deuterio isotopo effetto cinetico su extracellulare di trasporto dell'elettrone nella Shewanella oneidensis MR-1
Summary
Qui presentiamo un protocollo della intero-cellula elettrochimici esperimenti per studiare il contributo del trasporto di protoni per il tasso di trasporto dell’elettrone extracellulare attraverso il membrana esterna citocromi complessi di Shewanella oneidensis MR-1.
Abstract
Diretta rilevazione elettrochimica di c-tipo complessi citocromo incorporati nella membrana esterna batterica (membrana esterna c-tipo complessi citocromo; OM c– Cyts) ha recentemente è emerso come un nuovo metodo analitico della intero-cellula per caratterizzare il trasporto dell’elettrone batterico dalla catena respiratoria all’esterno delle cellule, definito come il trasporto dell’elettrone extracellulare (EET). Mentre la via e la cinetica del flusso dell’elettrone durante la reazione di EET sono stati indagati, un metodo elettrochimico di cellule intere di esaminare l’impatto del trasporto dei cationi associato EET non è ancora stato stabilito. Nello studio presente, un esempio di una tecnica biochimica per esaminare l’effetto di isotopo cinetico di deuterio (KIE) su EET attraverso OM c– Cyts utilizzando un microbo modello, Shewanella oneidensis MR-1, è descritto. KIE sul processo EET può essere ottenuto se la EET attraverso OM c– Cyts agisce come la tappa limitante nella produzione corrente microbica. A tal fine, prima dell’aggiunta di D2O, il supernatante è stato sostituito con fresco che contenevano una quantità sufficiente del donatore dell’elettrone per sostenere il tasso di reazioni metaboliche a Monte e per rimuovere le cellule planctoniche da un’uniforme monostrato biofilm sull’elettrodo di lavoro. Metodi alternativi per confermare il tasso-di limitazione passo nella produzione corrente microbica come EET attraverso OM c– Cyts inoltre sono descritti. La nostra tecnica di analisi elettrochimica della intero-cellula per studiare la cinetica del trasporto di protoni può essere applicato ad altri ceppi microbici elettroattivi.
Introduction
Tecniche elettrochimiche direttamente caratterizzare una proteina redox in una cellula batterica intatta sono recentemente emersi dalla scoperta del metallo-riducentesi di ceppi microbici, quali S. oneidensis MR-1 o Geobacter sulfurreducens PCA, che hanno complessi di citocromo c-tipo di membrana esterna (OM c-Cyts) esposti al cellulare esterna1,2,3,4,5. L’ OM c– Cyts mediano il trasporto di elettroni dalla catena respiratoria a substrati solidi trova extracellularly. Questo trasporto è indicato come extracellulare trasporto dell’elettrone (EET)1,6 ed è un processo critico per le biotecnologie emergenti, ad esempio celle a combustibile microbico6. Di conseguenza, per comprendere la cinetica EET sottostante e meccanismi e relativo collegamento alla fisiologia microbica, OM c –Cyts sono stati studiati usando della intero-cellula elettrochimica4,7, combinato con la microscopia 8 , 9, spettroscopia10,11e biologia molecolare2,4. Al contrario, metodi per studiare l’impatto EET-collegata del trasporto dei cationi, ad esempio, protoni, sulla cinetica EET in cellule viventi sono stati stabiliti a malapena nonostante trasporto di protoni attraverso le membrane batteriche, avendo un ruolo critico nel segnalazione, omeostasi ed energia produzione12,13,14. Nello studio presente, descriviamo una tecnica per esaminare l’impatto del trasporto protone sulla cinetica EET in S. oneidensis MR-1 cellula usando cellule intere misure elettrochimiche, che richiede l’individuazione del passaggio limitante microbica attuale produzione15.
Un modo diretto per valutare il contributo del trasporto di protoni sulla EET associato è l’effetto isotopico cinetico di deuterio (KIE). Il KIE è osservabile come il cambiamento nella cinetica di trasferimento di elettroni sulla sostituzione di protoni con ioni di deuterio, che rappresenta l’impatto del trasporto di protoni su elettrone trasferimento cinetica16. La teoria di KIE stessa è stata stabilita in bene utilizzando misure elettrochimiche con enzimi purificati17. Tuttavia, poiché la produzione corrente in S. oneidensis MR-1 deriva da multiple, processi diversi e fluttuante18, uno non può identificare semplicemente EET come il processo di limitazione della velocità. Per osservare il KIE il protone processi di trasporto accoppiato con EET, abbiamo bisogno di confermare che l’attuale produzione microbica è limitata dal trasporto di elettroni tramite OM c– Cyts all’elettrodo. Per questo scopo, abbiamo sostituito il supernatante con medium fresco contenente un’alta concentrazione di lattato come un donatore di elettroni ai pH ottimale e le condizioni di temperatura prima misurazione KIE; Questa sostituzione servito due ruoli: (1) ha migliorato il tasso dei processi metabolici a monte rispetto alla EET e (2) le cellule di nuoto nel surnatante rilasciato dal biofilm monostrato di S. oneidensis MR-1 su elettrodo di lavoro (omesso elettrodo di Indio ossido drogato con stagno (ITO)). Il protocollo dettagliato presentato è destinato per mantenere e confermare che il processo EET è il punto tasso-determinazione nuovi praticanti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nostra analisi elettrochimica della intero-cellula ha diversi vantaggi tecnici rispetto con elettrochimica della proteina. Mentre la purificazione della proteina richiede lunghe procedure multifase, il nostro metodo di cellule intere prende un giorno di formazione di biofilm auto-organizzata dopo coltura cellulare. Per ottenere una stabile interazione tra OM c– Cyts e l’elettrodo, abbiamo bisogno solo la sterilizzazione e la pulizia della superficie dell’elettrodo; non richiede modifiche di elettrodo per organiz…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da una sovvenzione per appositamente ricerca promossa dalla società Giappone per numero di promozione della scienza (JSPS) KAKENHI Grant 24000010, 17H 04969 e JP17J02602, il noi Office del Naval Research globali (N62909-17-1-2038). Y.T. è un ricercatore di JSP e supportato da JSP attraverso il programma per scuole laureato leader (MERIT).
Materials
| Glass cylinder | N/A | N/A | Custom-made, used as the electrochemical reactor |
| PTFE cover and base | N/A | N/A | Custom-made, used as a cover and a foundation of the electrochemical reactor |
| Buthyl rubber | N/A | N/A | Custom-made, inserted between each component of electrochemical reactor |
| Septa | GL Science | 3007-16101 | Used as an injection port of electrochemical reactor |
| Indium tin-doped oxide (ITO) electrode | GEOMATEC | No.0001 | Used as a working electrode, 5Ω/sq |
| Ag/AgCl KCl saturated electrode | HOKUTO DENKO | HX-R5 | Used as a reference electrode, Φ0.30mm |
| Platinum wire | The Nilaco Cooporation | PT-351325 | Used as a counter electrode |
| Luria-Bertani (LB) Broth, Miller | Becton, Dichkinson and Company | 244620 | Medium for precultivation of S. oneidensis MR-1 |
| Bacto agar | Becton, Dichkinson and Company | 214010 | |
| Anthraquinone-1-sulfonate (α-AQS) | TCI | A1428 | |
| Flavin mononucleotide (FMN) | Wako | 184-00831 | |
| NaHCO3 | Wako | 191-01305 | Used for defined medium (DM) |
| CaCl2 · 2H2O | Wako | 031-00435 | Used for DM |
| NH4Cl | Wako | 011-03015 | Used for DM |
| MgCl2 · 6H2O | Wako | 135-00165 | Used for DM |
| NaCl | Wako | 191-01665 | Used for DM |
| 2-[4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazinyl] ethanesulfonic acid (HEPES) | DOJINDO | 346-08235 | Used for DM |
| Sodium Lactate Solution | Wako | 195-02305 | |
| Bacto Yeast Extract | Becton, Dichkinson and Company | 212750 | |
| Deuterium oxide (D, 99.9%) | Cambridge Isotope Laboratories, Inc. | DLM-4-PK | Additive for kinetic isotope effect experiments |
| Incubator | TOKYO RIKAKIKAI CO. LTD. | LTI-601SD | Used for precultivation |
| Shaker | TAITEC | NR-3 | Used for precultivation |
| Autoclave machine | TOMY SEIKO CO. LTD. | LSX-500 | Used for sterilization of the electrochemical reactor and the medium |
| Clean bench | SANYO | MCV-91BNF | Used to prevent the contamination of the electrochemical reactor and the medium with other microbes |
| Centrifuge separator | Eppendorf | 5430R | Rotational speed upto 6000×g is required |
| Nitrogen gas generator | Puequ CO. LTD. | PNTN-2 | Nitrogen gas cylinder can also be used instead of gas generator |
| UV-vis spectrometer | SHIMADZU | UV-1800 | Used for optimization of cell density |
| Potentiostat | BioLogic | VMP3 | Used for biofilm formation and kinetic isotope effect experiments |
| Thermal water circulator | AS ONE | TR-1A | Used for maintanance of temperature of electrochemcial reactor |
| Faraday cage | HOKUTO DENKO | HS-201S | Used for electrochemical experiments |
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