Summary

Yapısal aydınlatma kullanarak dinamik nükleer polarizasyon Solid-State NMR için bitki malzeme ve mantar hazırlanması

Published: February 12, 2019
doi:

Summary

13C,15N etiketli mantar ve bitki örnekleri çok boyutlu solid-state NMR spektroskopisi ve dinamik nükleer polarizasyon (DNP) araştırmalar için hazırlanması için bir protokol sunulmuştur.

Abstract

Bu protokolü nasıl düzgün 13C, 15N etiketli mantar malzemeleri gösterir üretilen ve deneyler nasıl bu yumuşak malzeme solid-state NMR ve duyarlılık gelişmiş DNP için devam. Örnek işleme yordamı bitki biyolojik kütle Ayrıca ayrıntılı. Bu yöntem, bir dizi 1 D ve 2D 13C –13C ölçüm sağlar / yerli onların durumunda, en az pertürbasyon ile karmaşık Biyomalzeme yüksek çözünürlüklü yapısal aydınlatma sağlar15N korelasyon spectra. İzotop etiketleme 1 D spectra şiddeti ve 2D korelasyon spectra polarizasyon transfer verimi miktarının tarafından incelenebilir. Dinamik nükleer polarizasyon (DNP) numune hazırlama başarısı duyarlılık geliştirme faktörüyle değerlendirilebilir. Daha fazla deney polisakkaritler ve proteinler yapısal açılardan incelenmesi üç boyutlu mimari modeli için yol açacaktır. Bu yöntemler değiştirilebilir ve karbonhidrat açısından zengin malzemeler, bitkiler, mantarlar, algler ve bakteri, doğal hücre duvarları da dahil olmak üzere hem de sentez veya karbonhidrat polimerler ve onların karmaşık diğer tasarlanmış bir yelpazede araştırmak için uyarlanmış molekülleri.

Introduction

Karbonhidratlar enerji depolama, yapısal bina ve hücresel tanıma ve yapışma gibi çeşitli biyolojik süreçlerin merkezi bir rol oynamaktadır. Onlar hücre duvarı zenginleştirilmiş olan bitkiler, mantarlar, algler ve bakteri1,2,3temel bir bileşenidir. Hücre duvarı biyoyakıt ve biyomalzeme üretiminde için merkezi bir kaynak yanı sıra antimikrobiyal tedaviler4,5,6,7,8 için umut verici bir hedef olarak hizmet vermektedir , 9.

Bu karmaşık malzemelerin çağdaş anlayış önemli ölçüde dört önemli biyokimyasal veya genetik yöntemlerle yapısal karakterizasyon adamış çabaları onlarca tarafından ileri. İlk büyük Yöntem sıralı tedavileri farklı bölümleri, içine hücre duvarları yıkmak için kuvvetli kimyasallar veya enzimler kullanarak kompozisyon tarafından takip kullanır ve bağlantı analizi her Kesir10şekerler. Bu yöntem polimerlerin etki alanı dağıtım ışık tutuyor ama yorumu biomolecules kimyasal ve fiziksel özellikleri nedeniyle yanıltıcı olabilir. Örneğin, alkali ekstrakte kesir daha az yapılandırılmış moleküllerin tek bir etki alanı veya dağınık şekilde ayrılmış molekülleri ile karşılaştırılabilir çözünürlük gelmektedir olup olmadığını belirlemek zordur. İkinci olarak, ayıklanan bölümleri veya tüm hücre duvarları da farklı molekül11,12,13, arasında çapraz olarak da adlandırılan kovalent bağları belirlemek için çözüm NMR kullanarak ölçülebilir 14,15. Bu şekilde ayrıntılı yapısı, kovalent çapa probed ancak sınırlamaları nedeniyle polisakkaritler, crosslinking sitelerin nispeten az sayıda ve stabilize kovalent olmayan etkileri cehalet çözünürlük düşük var olabilir polisakkarit ambalaj, hidrojen bağı, van der Waals kuvvetleri, elektrostatik etkileşim ve polimer dolanması gibi. Üçüncü olarak, bağlama benzeşme kararlı vitro izole polisakkaritler16,17,18,19ama yordamlar önemli ölçüde değiştirebilir arıtma kullanarak oldu yapısı ve özellikleri bu biomolecules. Bu yöntem aynı zamanda karmaşık ifade ve oluştururlar Meclisi biyosentezi sonra çoğaltmak başarısız olur. Son olarak, fenotip, hücre morfolojisi ve genetik mutantlar mekanik özellikleri belirli hücre duvarı bileşeni zayıflatılmış üretimi ile polisakkaritler yapısal işlevleri ışıkları döken, ama daha moleküler kanıtlar bunlar köprü için gereklidir protein makineleri20makroskopik gözlemleri ile mühendislik görev.

Geliştirilmesi ve çok boyutlu solid-state NMR spektroskopisi son gelişmeler bu yapısal bulmaca çözme için eşsiz bir fırsat girmiştik. 2D/3D solid-state NMR deneyler kompozisyon yüksek çözünürlüklü incelenmesi ve karbonhidrat açısından zengin malzemeler büyük pertürbasyon olmadan yerel devlet mimarisini etkinleştirin. Yapısal başarıyla yürütülen çalışmalar hem birincil hem de ikincil hücre duvarları bitkiler, catalytically tedavi biyokütle bakteriyel biyofilm, pigment hayaletler mantar ve son zamanlarda yazarların, patojenik bir mantar sağlam hücre duvarları Aspergillus fumigatus 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31. dinamik nükleer polarizasyon (DNP)32,33,34,35,36,37,38 gelişimi , 39 , 40 , 41 , DNP tarafından duyarlılık geliştirme belirgin bu karmaşık Biyomalzeme deneysel zamanı kısaltır gibi 42 NMR yapısal aydınlatma önemli ölçüde kolaylaştırır. Burada açıklanan protokol için izotop etiketleme-mantar A. fumigatus ve mantar hazırlama yordamları ve bitki örnekleri solid-state NMR ve DNP karakterizasyonu için ayrıntıları. Benzer etiketleme yordamlar değişmiş orta ile diğer mantarlar için geçerli olmalı ve örnek hazırlama yordamları genellikle diğer karbonhidrat açısından zengin Biyomalzeme uygulanabilir olmalıdır.

Protocol

1. büyüme 13C, 15N etiketli Aspergillus fumigatus sıvı orta Etiketlenmemiş hazırlanması ve 13C, 15N etiketli büyüme ortaNot: Her ikisi de Maya Extract pepton dekstroz Orta (YPD) ve geliştirilmiş en az orta43 mantar kültür bakımı için kullanılmıştır. Isıyla sonra tüm adımlar bir laminar akış hood kontaminasyon en aza indirmek için gerçekleştirilir. Etiketlenmemiş sıvı orta hazırlanması: 6.5 g…

Representative Results

İzotop etiketleme önemli ölçüde NMR hassasiyeti artırır ve bir dizi 2D 13C -13C ve 13C -15N kompozisyon, hidrasyon, hareketlilik analiz etmek için korelasyon spectra ölçme ve ambalaj için mümkün kılar Polimerler, hücre duvarı mimarisi (Şekil 1) üç boyutlu bir model oluşturmak için entegre edilecek. Tek tip etiketleme işlemi başarılı olursa, 1D 13C ve 15N spectra tam bir…

Discussion

Biyokimyasal yöntemlerle karşılaştırıldığında, solid-state NMR bir non-yıkıcı ve yüksek çözünürlüklü Teknik olarak avantajları vardır. NMR da kompozisyon analizde nicel ve çoğu diğer analitik yöntemler aksine, değil belirsizlikler tanıttı biyopolimer sınırlı çözünürlük tarafından. Geçerli protokol kurulması karbonhidrat açısından zengin Biyomalzeme ve functionalized polimerler gelecek çalışmalar kolaylaştırır. Ancak, rezonans atama ve veri analizi zaman alıcı olması ve g…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser NSF OIA-1833040 Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir. Ulusal yüksek manyetik alan Laboratuarı (NHMFL) DMR-1157490 ve Florida eyaletinde Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir. MAS-DNP sistem NHMFL, kısmen NIH S10 OD018519 ve NSF CHE-1229170 tarafından finanse edilmektedir.

Materials

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

Riferimenti

  1. Murrey, H. E., Hsieh-Wilson, L. C. The chemical neurobiology of carbohydrates. Chemical Reviews. 108 (5), 1708-1731 (2008).
  2. Latge, J. P. The cell wall: a carbohydrate armour for the fungal cell. Molecular Microbiology. 66 (2), 279-290 (2007).
  3. Cosgrove, D. J. Growth of the plant cell wall. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 6 (11), 850-861 (2005).
  4. Furtado, A., et al. Modifying plants for biofuel and biomaterial production. Plant Biotechnology Journal. 12 (9), 1246-1258 (2014).
  5. Loqué, D., Scheller, H. V., Pauly, M. Engineering of plant cell walls for enhanced biofuel production. Current Opinion in Plant Biology. 25, 151-161 (2015).
  6. Latge, J. P. Aspergillus fumigatus and aspergillosis. Clinical Microbiology Reviews. 12 (2), 310-350 (1999).
  7. Ragauskas, A. J., et al. The path forward for biofuels and biomaterials. Science. 311 (5760), 484-489 (2006).
  8. Service, R. F. Cellulosic ethanol – Biofuel researchers prepare to reap a new harvest. Science. 315 (5818), 1488-1491 (2007).
  9. Somerville, C., Youngs, H., Taylor, C., Davis, S. C., Long, S. P. Feedstocks for Lignocellulosic Biofuels. Science. 329 (5993), 790-792 (2010).
  10. Schiavone, M., et al. A combined chemical and enzymatic method to determine quantitatively the polysaccharide components in the cell wall of yeasts. FEMS Yeast Research. 14 (6), 933-947 (2014).
  11. Cheng, K., Sorek, H., Zimmermann, H., Wemmer, D. E., Pauly, M. Solution-State 2D NMR Spectroscopy of Plant Cell Walls Enabled by a Dimethylsulfoxide-d(6)/1-Ethyl-3-methylimidazolium Acetate Solvent. Analytical Chemistry. 85 (6), 3213-3221 (2013).
  12. Mansfield, S. D., Kim, H., Lu, F. C., Ralph, J. Whole plant cell wall characterization using solution-state 2D NMR. Nature Protocols. 7 (9), 1579-1589 (2012).
  13. Tan, L., et al. An Arabidopsis Cell Wall Proteoglycan Consists of Pectin and Arabinoxylan Covalently Linked to an Arabinogalactan Protein. Plant Cell. 25 (1), 270-287 (2013).
  14. Kollar, R., Petrakova, E., Ashwell, G., Robbins, P. W., Cabib, E. Architecture of the Yeast-Cell Wall – the Linkage between Chitin and Beta(1-3)-Glucan. Journal of Biological Chemistry. 270 (3), 1170-1178 (1995).
  15. Kollar, R., et al. Architecture of the yeast cell wall – beta(1->6)-glucan interconnects mannoprotein, beta(1-3)-glucan, and chitin. Journal of Biological Chemistry. 272 (28), 17762-17775 (1997).
  16. Mccann, M. C., et al. Old and new ways to probe plant cell wall architecture. Canadian Journal of Botany. 73, S103-S113 (1995).
  17. Whitney, S. E. C., Brigham, J. E., Darke, A. H., Reid, J. S. G., Gidley, M. J. In-Vitro Assembly of Cellulose/Xyloglucan Networks – Ultrastructural and Molecular Aspects. The Plant Journal. 8 (4), 491-504 (1995).
  18. Zykwinska, A. W., Ralet, M. C. J., Garnier, C. D., Thibault, J. F. J. Evidence for in vitro binding of pectin side chains to cellulose. Plant Physiology. 139 (1), 397-407 (2005).
  19. Kiemle, S. N., et al. Role of (1,3)(1,4)-beta-Glucan in Cell Walls: Interaction with Cellulose. Biomacromolecules. 15 (5), 1727-1736 (2014).
  20. Pogorelko, G., Lionetti, V., Bellincampi, D., Zabotina, O. Cell wall integrity: targeted post-synthetic modifications to reveal its role in plant growth and defense against pathogens. Plant Signaling & Behavior. 8 (9), e25435 (2013).
  21. Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Cellulose-Pectin Spatial Contacts Are Inherent to Never-Dried Arabidopsis thaliana Primary Cell Walls: Evidence from Solid-State NMR. Plant Physiology. 168 (3), 871-884 (2015).
  22. Wang, T., Salazar, A., Zabotina, O. A., Hong, M. Structure and dynamics of Brachypodium primary cell wall polysaccharides from two-dimensional 13C solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. Biochimica. 53 (17), 2840-2854 (2014).
  23. Grantham, N. J., et al. An even pattern of xylan substitution is critical for interaction with cellulose in plant cell walls. Nature Plants. 3 (11), 859-865 (2017).
  24. Simmons, T. J., et al. Folding of xylan onto cellulose fibrils in plant cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications. 7, 13902 (2016).
  25. Komatsu, T., Kikuchi, J. Selective Signal Detection in Solid-State NMR Using Rotor-Synchronized Dipolar Dephasing for the Analysis of Hemicellulose in Lignocellulosic Biomass. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (14), 2279-2283 (2013).
  26. Perras, F. A., et al. Atomic-Level Structure Characterization of Biomass Pre- and Post-Lignin Treatment by Dynamic Nuclear Polarization-Enhanced Solid-State NMR. The Journal of Physical Chemistry A. 121 (3), 623-630 (2017).
  27. Chatterjee, S., Prados-Rosales, R., Itin, B., Casadevall, A., Stark, R. E. Solid-state NMR Reveals the Carbon-based Molecular Architecture of Cryptococcus neoformans Fungal Eumelanins in the Cell Wall. Journal of Biological Chemistry. 290 (22), 13779-13790 (2015).
  28. Zhong, J., Frases, S., Wang, H., Casadevall, A., Stark, R. E. Following fungal melanin biosynthesis with solid-state NMR: biopolymer molecular structures and possible connections to cell-wall polysaccharides. Biochimica. 47 (16), 4701-4710 (2008).
  29. Kang, X., et al. Molecular architecture of fungal cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications. 9 (1), 2747 (2018).
  30. Takahashi, H., et al. Solid-state NMR on bacterial cells: selective cell wall signal enhancement and resolution improvement using dynamic nuclear polarization. Journal of the American Chemical Society. 135 (13), 5105-5110 (2013).
  31. Wang, T., Hong, M. Solid-state NMR investigations of cellulose structure and interactions with matrix polysaccharides in plant primary cell walls. Journal of Experimental Botany. 67, 503-514 (2016).
  32. Mentink-Vigier, F., Akbey, &. #. 2. 2. 0. ;., Oschkinat, H., Vega, S., Feintuch, A. Theoretical aspects of magic angle spinning-dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 258, 102-120 (2015).
  33. Gupta, R., et al. Dynamic nuclear polarization enhanced MAS NMR spectroscopy for structural analysis of HIV-1 protein assemblies. The Journal of Physical Chemistry B. 120 (2), 329-339 (2016).
  34. Takahashi, H., Hediger, S., De Paëpe, G. Matrix-free dynamic nuclear polarization enables solid-state NMR 13 C-13 C correlation spectroscopy of proteins at natural isotopic abundance. Chemical Communications. 49 (82), 9479-9481 (2013).
  35. Ni, Q. Z., et al. High frequency dynamic nuclear polarization. Accounts of Chemical Research. 46 (9), 1933-1941 (2013).
  36. Koers, E. J., et al. NMR-based structural biology enhanced by dynamic nuclear polarization at high magnetic field. Journal of Biomolecular NMR. 60 (2-3), 157-168 (2014).
  37. Saliba, E. P., et al. Electron Decoupling with Dynamic Nuclear Polarization in Rotating Solids. Journal of the American Chemical Society. 139 (18), 6310-6313 (2017).
  38. Mentink-Vigier, F., et al. Efficient cross-effect dynamic nuclear polarization without depolarization in high-resolution MAS NMR. Chemical Science. 8 (12), 8150-8163 (2017).
  39. Smith, A. N., Twahir, U. T., Dubroca, T., Fanucci, G. E., Long, J. R. Molecular Rationale for Improved Dynamic Nuclear Polarization of Biomembranes. The Journal of Physical Chemistry B. 120 (32), 7880-7888 (2016).
  40. Su, Y., Andreas, L., Griffin, R. G. Magic angle spinning NMR of proteins: high-frequency dynamic nuclear polarization and 1H detection. Annual Reviews of Biochemistry. 84, 465-497 (2015).
  41. Hediger, S., Lee, S., Mentink-Vigier, F., Paepe, G. D. MAS-DNP Enhancements: Hyperpolarization, Depolarization, and Absolute Sensitivity. eMagRes. 7, 1-13 (2018).
  42. Ni, Q. Z., et al. In Situ Characterization of Pharmaceutical Formulations by Dynamic Nuclear Polarization Enhanced MAS NMR. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (34), 8132-8141 (2017).
  43. Hill, T. W., Kafer, E. Improved protocols for Aspergillus minimal medium: trace element and minimal medium salt stock solutions. Fungal Genetics Reports. 48 (1), 20-21 (2001).
  44. Rossini, A. J., et al. Dynamic nuclear polarization surface enhanced NMR spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 46 (9), 1942-1951 (2013).
  45. Sauvée, C., et al. Highly efficient, water-soluble polarizing agents for dynamic nuclear polarization at high frequency. Angewandte Chemie International Edition. 125 (41), 11058-11061 (2013).
  46. Phyo, P., et al. Gradients in Wall Mechanics and Polysaccharides along Growing Inflorescence Stems. Plant physiology. 175 (4), 1593-1607 (2017).
  47. White, P. B., Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Water-polysaccharide interactions in the primary cell wall of Arabidopsis thaliana from polarization transfer solid-state NMR. Journal of the American Chemical Society. 136 (29), 10399-10409 (2014).
  48. Jippo, T., Kamo, O., Nagayama, K. Determination of long-range proton-carbon 13 coupling constants with selective two-dimensional INEPT. Journal of Magnetic Resonance. 66 (2), 344-348 (1969).
  49. Morris, G. A. Sensitivity enhancement in nitrogen-15 NMR: polarization transfer using the INEPT pulse sequence. Journal of the American Chemical Society. 102 (1), 428-429 (1980).
  50. Cadars, S., et al. The refocused INADEQUATE MAS NMR experiment in multiple spin-systems: interpreting observed correlation peaks and optimising lineshapes. Journal of Magnetic Resonance. 188 (1), 24-34 (2007).
  51. Lesage, A., Bardet, M., Emsley, L. Through-bond carbon− carbon connectivities in disordered solids by NMR. Journal of the American Chemical Society. 121 (47), 10987-10993 (1999).
  52. Bennett, A. E., et al. Homonuclear radio frequency-driven recoupling in rotating solids. The Journal of Chemical Physics. 108 (22), 9463-9479 (1998).
  53. Lu, X., Guo, C., Hou, G., Polenova, T. Combined zero-quantum and spin-diffusion mixing for efficient homonuclear correlation spectroscopy under fast MAS: broadband recoupling and detection of long-range correlations. Journal of Biomolecular NMR. 61 (1), 7-20 (2015).
  54. Wang, T., Zabotina, O., Hong, M. Pectin-cellulose interactions in the Arabidopsis primary cell wall from two-dimensional magic-angle-spinning solid-state nuclear magnetic resonance. Biochimica. 51 (49), 9846-9856 (2012).
  55. Wang, T., Yang, H., Kubicki, J. D., Hong, M. Cellulose Structural Polymorphism in Plant Primary Cell Walls Investigated by High-Field 2D Solid-State NMR Spectroscopy and Density Functional Theory Calculations. Biomacromolecules. 17 (6), 2210-2222 (2016).
  56. Kirui, A., et al. Atomic Resolution of Cotton Cellulose Structure Enabled by Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR. Cellulose. , (2019).
  57. Wang, T., et al. Sensitivity-enhanced solid-state NMR detection of expansin’s target in plant cell walls. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (41), 16444-16449 (2013).
  58. Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Cellulose-Pectin Spatial Contacts Are Inherent to Never-Dried Arabidopsis thaliana Primary Cell Walls: Evidence from Solid-State NMR. Plant Physiology. 168 (3), 871-884 (2015).
  59. Liao, S. Y., Lee, M., Wang, T., Sergeyev, I. V., Hong, M. Efficient DNP NMR of membrane proteins: sample preparation protocols, sensitivity, and radical location. Journal of Biomolecular NMR. 64 (3), 223-237 (2016).
  60. Kang, X., et al. Lignin-Polysaccharide Interactions in Plant Secondary Cell Walls Revealed by Solid-State NMR. Nature Communications. 10, 347 (2019).
  61. Takahashi, H., et al. Rapid Natural-Abundance 2D 13C-13C Correlation Spectroscopy Using Dynamic Nuclear Polarization Enhanced Solid-State NMR and Matrix-Free Sample Preparation. Angewandte Chemie International Edition. 51 (47), 11766-11769 (2012).
check_url/it/59152?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Kirui, A., Dickwella Widanage, M. C., Mentink-Vigier, F., Wang, P., Kang, X., Wang, T. Preparation of Fungal and Plant Materials for Structural Elucidation Using Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR. J. Vis. Exp. (144), e59152, doi:10.3791/59152 (2019).

View Video