אלקטרוכימי זיהוי של דאוטריום קינטי איזוטופ אפקט על חוץ-תאית אלקטרון התחבורה מר Shewanella oneidensis -1
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול של כל תא אלקטרוכימי ניסויים ללמוד את התרומה של פרוטון תחבורה לקצב התחבורה אלקטרון חוץ-תאית באמצעות cytochromes הממברנה החיצונית מתחם Shewanella oneidensis מר-1.
Abstract
ישיר זיהוי אלקטרוכימי של c-הקלד מתחמי ציטוכרום מוטבע בתוך הממברנה החיצונית חיידקי (הממברנה החיצונית c-הקלד ציטוכרום מתחמי; אום c– Cyts) יש לאחרונה הופיעו כשיטה הרומן השלם-תא אנליטי לאפיין התעבורה חיידקי אלקטרונים בשרשרת הנשימה אל החוץ תא, המכונה התעבורה אלקטרון חוץ-תאית (EET). בזמן מסלול וקינטיקה של זרימת אלקטרונים במהלך התגובה EET נחקרו, שיטה אלקטרוכימי תאים שלמים כדי לבחון את השפעת התחבורה הקטיון המשויך EET לא טרם הוקם. במחקר הנוכחי, דוגמה טכניקה הביוכימי לבחון את דאוטריום איזוטופ קינטי (KIE) על EET דרך אום c– Cyts באמצעות מודל ומה איתי, מר Shewanella oneidensis -1, הוא תיאר. ניתן להשיג את KIE על תהליך EET אם EET דרך אום c– Cyts משמש הצעד הגבלת קצב הייצור הנוכחי מיקרוביאלי. לשם כך, לפני התוספת של D2O, הפתרון supernatant הוחלף טריים המדיה המכילה כמות מספקת של התורם אלקטרון כדי לתמוך הקצב של תגובות חילוף החומרים במעלה הזרם, וכדי להסיר תאים פלנקטוניים מדים טפט biofilm על האלקטרודה עבודה. שיטות אלטרנטיביות כדי לאשר הגבלת הקצב את שלב הייצור הנוכחי מיקרוביאלית כמו EET דרך אום c– Cyts מתוארים גם. הטכניקה שלנו של assay אלקטרוכימי תאים שלמים על חקירת קינטיקה תחבורה פרוטון יכול להחיל על זני חיידקים אחרים electroactive.
Introduction
בטכניקות אלקטרוכימיות לאפיין ישירות חלבון חמצון-חיזור תא החיידק ללא פגע לאחרונה הופיעו מאז הגילוי להפחתת מתכת זני חיידקים, כגון oneidensis ס מר-1 או Geobacter sulfurreducens PCA, אשר יש מתחמי ציטוכרום c-type הממברנה החיצונית (OM c-Cyts) נחשפים תא חיצוני1,2,3,4,5. אום c– Cyts מתווכים התחבורה אלקטרונים בשרשרת הנשימה סובסטרטים מוצק ממוקם extracellularly. העברה זו נחשבת אלקטרון חוץ-תאית תחבורה (EET)1,6 , תהליך קריטי עבור מנרב המתעוררים, כגון חיידקים בתאי דלק6. לכן, כדי להבין קינטיקה EET הבסיסית של מנגנונים ואת זיקתה פיזיולוגיה מיקרוביאלי, אום c –Cyts נחקרו באמצעות תאים שלמים אלקטרוכימיה4,7, בשילוב עם מיקרוסקופ 8 , 9,10,ספקטרוסקופיה11וביולוגיה מולקולרית2,4. לעומת זאת, שיטות כדי לחקור את השפעת התחבורה הקטיון הקשורים EET, למשל, פרוטונים, על EET קינטיקה בתאים חיים בקושי הוקמו, למרות פרוטון תחבורה מעבר ממברנות חיידקי יש תפקיד קריטי איתות, הומאוסטזיס ואנרגיה ייצור12,13,14. בהווה ללמוד, נתאר טכניקה כדי לבחון את השפעת התחבורה פרוטון-קינטיקה EET בתא oneidensis ס מר-1 באמצעות כל-תא אלקטרוכימי מדידות, המחייב את הזיהוי של הצעד הגבלת קצב חיידקים הנוכחי הפקה15.
דרך ישירה אחת כדי להעריך את התרומה של פרוטון הובלה על EET המשויך הוא אפקט קינטי איזוטופ דאוטריום (KIE). KIE הוא מקהים השינוי ב קינטיקה העברת אלקטרונים על החלפת פרוטונים עם יונים דאוטריום, אשר מייצג את השפעת התחבורה פרוטון אלקטרון העברה קינטיקה16. התיאוריה של KIE עצמה הוכח גם באמצעות מדידות אלקטרוכימי עם אנזימים מטוהרים17. עם זאת, מאז הייצור הנוכחי ב ס oneidensis מר-1 היא תוצאה של תהליכים מגוונים, המשתנות מרובים,18, אחד יכול פשוט לזהות EET כתהליך הגבלת קצב. כדי לבחון את KIE על פרוטון תחבורה תהליכים בשילוב עם EET, עלינו לוודא כי ההפקה הנוכחית חיידקים מוגבל על ידי אלקטרון תחבורה באמצעות אום c– Cyts אל האלקטרודה. למטרה זו, החלפנו את הפתרון supernatant בינונית טריים המכילים ריכוז גבוה של חומצת החלב כמו תורם אלקטרון pH אופטימלי, בתנאי טמפרטורה לפני המדידה KIE; החלפת הזה שימש שני תפקידים: (1) קצב התהליכים המטאבוליים במעלה בהשוואה EET לבין (2) הושמט התאים שחיה תגובת שיקוע שוחררו את biofilm טפט של מר ס oneidensis -1 ב (אלקטרודה העבודה אינדיום בדיל-מסטול אוקסיד (ITO) אלקטרודה). פרוטוקול מפורט הציג מיועדת לסייע מתרגלים חדשים לשמור, לאשר כי התהליך EET הוא השלב שקובעים שיעור.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלנו assay אלקטרוכימי של תאים שלמים יש כמה יתרונות טכניים לעומת חלבון אלקטרוכימיה. בעוד טיהור חלבון דורש הליכים גוזלת זמן רב שלבי, השיטה כולה-תא שלנו לוקח יום אחד של ביופילמים עצמית מאורגן לאחר תרבית תאים. כדי להשיג את האינטראקציה יציב בין אום c– Cyts האלקטרודה, אנחנו זקוקים רק עיקור, ניקוי …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי מענק הסיוע במיוחד קידום מחקר החברה יפן של קידום המדע (JSPS) KAKENHI גרנט מספר 24000010, 17H. 04969, ו JP17J02602, אותנו למשרד של חיל הים המחקר העולמי (N62909-17-1-2038). Y.T. היא עמיתת מחקר JSPS ונתמך על-ידי JSPS דרך התוכנית עבור המובילים לתואר שני בתי ספר (הצטיינות).
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 |
References
- Nealson, K. H., Saffarini, D. Iron and Manganese in Anaerobic Respiration – Environmental Significance, Physiology, and Regulation. Annu. Rev. Microbiol. 48, 311-343 (1994).
- Bretschger, O., et al. Current production and metal oxide reduction by Shewanella oneidensis MR-1 wild type and mutants. Appl Environ Microb. 73 (21), 7003-7012 (2007).
- Richter, H., et al. Cyclic voltammetry of biofilms of wild type and mutant Geobacter sulfurreducens on fuel cell anodes indicates possible roles of OmcB, OmcZ, type IV pili, and protons in extracellular electron transfer. Energy Environ. Sci. 2 (5), 506-516 (2009).
- Okamoto, A., Nakamura, R., Hashimoto, K. In-vivo identification of direct electron transfer from Shewanella oneidensis MR-1 to electrodes via outer-membrane OmcA-MtrCAB protein complexes. Electrochim. Acta. 56 (16), 5526-5531 (2011).
- Strycharz, S. M., et al. Application of cyclic voltammetry to investigate enhanced catalytic current generation by biofilm-modified anodes of Geobacter sulfurreducens strain DL1 vs. variant strain KN400. Energy Environ. Sci. 4 (3), 896-913 (2011).
- Lovley, D. R. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nat. Rev. Microbiol. 4 (7), 497-508 (2006).
- Coursolle, D., Gralnick, J. A. Reconstruction of extracellular respiratory pathways for iron(III) reduction in Shewanella oneidensis strain MR-1. Front. Microbiol. 3, (2012).
- Franks, A. E., et al. Novel strategy for three-dimensional real-time imaging of microbial fuel cell communities: monitoring the inhibitory effects of proton accumulation within the anode biofilm. Energy Environ. Sci. 2 (1), 113-119 (2009).
- McLean, J. S., Ona, O. N., Majors, P. D. Correlated biofilm imaging, transport and metabolism measurements via combined nuclear magnetic resonance and confocal microscopy. ISME J. 2 (2), 121-131 (2008).
- Busalmen, J. P., Esteve-Nunez, A., Berna, A., Feliu, J. M. C-type cytochromes wire electricity-producing bacteria to electrodes. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (26), 4874-4877 (2008).
- Nakamura, R., Ishii, K., Hashimoto, K. Electronic Absorption Spectra and Redox Properties of C Type Cytochromes in Living Microbes. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (9), 1606-1608 (2009).
- Myers, C. R., Nealson, K. H. Respiration-Linked Proton Translocation Coupled to Anaerobic Reduction of Manganese(IV) and Iron(III) in Shewanella putrefaciens MR-1. J. Bacteriol. 172 (11), 6232-6238 (1990).
- Tokunou, Y., Hashimoto, K., Okamoto, A. Extracellular Electron Transport Scarcely Accumulates Proton Motive Force in Shewanella oneidensis MR-1. Bull. Chem. Soc. Jpn. 88 (5), 690-692 (2015).
- Okamoto, A., Tokunou, Y., Saito, J. Cation-limited kinetic model for microbial extracellular electron transport via an outer membrane cytochrome C complex. Biophysics and physicobiology. 13, 71-76 (2016).
- Okamoto, A., Tokunou, Y., Shafeer, K., Hashimoto, K. Proton Transport in the Outer-Membrane Flavocytochrome Complex Limits the Rate of Extracellular Electron Transport. Angew. Chem. Int. Ed. 56, 9082-9086 (2017).
- Hammes-Schiffer, S., Stuchebrukhov, A. A. Theory of Coupled Electron and Proton Transfer Reactions. Chem. Rev. 110 (12), 6939-6960 (2010).
- Cleland, W. W. The use of isotope effects to determine enzyme mechanisms. J Biol. Chem. 278 (52), 51975-51984 (2003).
- Kouzuma, A., Kasai, T., Hirose, A., Watanabe, K. Catabolic and regulatory systems in Shewanella oneidensis MR-1 involved in electricity generation in microbial fuel cells. Front. Microbiol. 6, (2015).
- Kushner, D. J., Baker, A., Dunstall, T. G. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds. Can. J Physiol. Pharm. 77 (2), 79-88 (1999).
- Xie, X. S., Zubarev, R. A. Effects of Low-Level Deuterium Enrichment on Bacterial Growth. Plos One. 9 (7), e102071 (2014).
- Okamoto, A., Hashimoto, K., Nealson, K. H., Nakamura, R. Rate enhancement of bacterial extracellular electron transport involves bound flavin semiquinones. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110 (19), 7856-7861 (2013).
- Edwards, M. J., et al. Redox Linked Flavin Sites in Extracellular Decaheme Proteins Involved in Microbe-Mineral Electron Transfer. Sci. Rep. 5, 11677 (2015).
- Saito, J., Hashimoto, K., Okamoto, A. Flavin as an Indicator of the Rate-Limiting Factor for Microbial Current Production in Shewanella oneidensis MR-1. Electrochim. Acta. 216, 261-265 (2016).
- Guo, J. B., et al. Reduction of Cr(VI) by Escherichia coli BL21 in the presence of redox mediators. Bioresource Technol. 123, 713-716 (2012).
- Nealson, K., Saffarini, D., Moser, D., Smith, M. J. A Spectrophotometric Method for Monitoring Tactic Responses of Bacteria under Anaerobic Conditions. J Microbiol. Meth. 20 (3), 211-218 (1994).
- Myers, C. R., Myers, J. M. Cell surface exposure of the outer membrane cytochromes of Shewanella oneidensis MR-1. Lett. Appl. Microbiol. 37 (3), 254-258 (2003).
- Lower, B. H., et al. Antibody Recognition Force Microscopy Shows that Outer Membrane Cytochromes OmcA and MtrC Are Expressed on the Exterior Surface of Shewanella oneidensis MR-1. Appl. Environ. Microbiol. 75 (9), 2931-2935 (2009).
- Chen, X. X., Ferrigno, R., Yang, J., Whitesides, G. A. Redox properties of cytochrome c adsorbed on self-assembled monolayers: A probe for protein conformation and orientation. Langmuir. 18 (18), 7009-7015 (2002).
- McMillan, D. G. G., et al. The impact of enzyme orientation and electrode topology on the catalytic activity of adsorbed redox enzymes. Electrochim. Acta. 110, 79-85 (2013).
- Dinh, H. T., et al. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms. Nature. 427 (6977), 829-832 (2004).
- McGlynn, S. E., Chadwick, G. L., Kempes, C. P., Orphan, V. J. Single cell activity reveals direct electron transfer in methanotrophic consortia. Nature. 526 (7574), 531-535 (2015).
- Okamoto, A., Nakamura, R., Nealson, K. H., Hashimoto, K. Bound Flavin Model Suggests Similar Electron-Transfer Mechanisms in Shewanella and Geobacter. Chemelectrochem. 1 (11), 1808-1812 (2014).
- Okamoto, A., Hashimoto, K., Nealson, K. H. Flavin Redox Bifurcation as a Mechanism for Controlling the Direction of Electron Flow during Extracellular Electron Transfer. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (41), 10988-10991 (2014).
- Tokunou, Y., Hashimoto, K., Okamoto, A. Acceleration of Extracellular Electron Transfer by Alternative Redox-Active Molecules to Riboflavin for Outer-Membrane Cytochrome c of Shewanella oneidensis MR-1. J Phys. Chem. C. 120 (29), 16168-16173 (2016).
- Rowe, A. R., et al. Tracking electron uptake from a cathode into Shewanella cells: implications for generating maintenance energy from solid substrates. bioRxiv. , 116475 (2017).
