קוונפיקציה של מתכת Leaching ב קיבוע מתכת זיקה כרומטוגרפיה
Summary
אנו מציגים שיטת כימות קלה של מתכות הציגו דגימות שהוכנו באמצעות כרומטוגרפיה של זיקה מתכת ללא קיבוע. השיטה משתמשת הידרוקסילנול כחול מחוון הצבע מתכת וספקטרוסקופיה UV-Vis כמו הגלאי.
Abstract
זיהום של אנזימים עם מתכות מחורץ מתוך כרומטוגרפיה של זיקה מתכת כרומטוגרפית (IMAC) מהווה דאגה מרכזית עבור אנזימוולוגים, כמו רבים של הקטניות di-ו שולש משותף המשמש שרפים IMAC יש השפעה מעכבות על אנזימים. עם זאת, את היקף המתכת מפחיתה את ההשפעה של משחררי שונים והפחתת הריאגנטים מובנים באופן גרוע בחלק הגדול בשל העדר מתכת פשוטה ומעשית פרוטוקולי קוונפיקציה השימוש בציוד זמין בדרך כלל . מעבדות ביוכימיה כדי לטפל בבעיה זו, פיתחנו פרוטוקול כדי לכמת במהירות את כמות זיהום המתכת בדגימות שהוכנו באמצעות IMAC כצעד טיהור. השיטה משתמשת הידרוyn, כחול (HNB) כמו מחוון מטרי צביעה עבור תוכן הקטיון מתכת בפתרון מדגם UV-Vis ספקטרוסקופיה כאמצעי לכמת את כמות הקיים של המתכת, לתוך טווח nanomolar, מבוסס על השינוי בספקטרום HNB ב 647 nm. בעוד תכולת המתכת בתמיסה הייתה מבחינה היסטורית, באמצעות ספקטרוסקופיית ספיגה אטומית או בשילוב טכניקות פלזמה, שיטות אלה דורשות ציוד מיוחד והדרכה מחוץ להיקף של מעבדת ביוכימיה טיפוסית. השיטה המוצעת כאן מספקת דרך פשוטה ומהירה לביו-כימאים כדי לקבוע את תוכן המתכת של דגימות באמצעות ציוד וידע קיימים מבלי להתפשר על דיוק.
Introduction
מאז הקמתה על ידי Porath ועמיתים לעבודה1, כרומטוגרפיה של זיקה מתכת כרומטוגרפית (IMAC) הפך לשיטה של בחירה כדי להפריד במהירות חלבונים בהתבסס על יכולתם להתחבר עם יוני מתכת מעבר כגון zn2 +, Ni2 +, Cu2 +, ו-co2 +. זה נעשה בדרך כלל באמצעות הנדסה התגים פולי-histidine והוא כיום אחד שיטות הטיהור הנפוצות ביותר כרומטוגרפי לבידוד של חלבונים רקומביננטי2. IMAC יש גם מצאו יישומים מעבר לטיהור חלבון רקומביננטי כדרך לבודד quinolones, טטרציקווים, קוגליקוצידי, macrolides, ו β-lactams עבור ניתוח לדוגמה מזון3 וכצעד בזיהוי חלבון סרום דם סמנים לכבד וסרטן הלבלב4,5. לא באופן מפתיע, IMAC יש גם להיות שיטה של בחירה עבור בידוד של מספר אנזימים ביואנרגיה יליד6,7,8,9,10. עם זאת, יישום מוצלח של שיטות טיהור אלה למחקרים על חלבונים ביו-אנרגטיים פעילים ומותנים בנוכחות של רמות זניח של מתכות מתכתיות מתוך מטריצת הטור אל החומק. מתכות דיגרפיות המשמשות בדרך כלל ב-IMAC מוכרות משמעות ביולוגית פתולוגית, אפילו בריכוזים נמוכים11,12. ההשפעה הפיזיולוגית של מתכות אלה מודגשת ביותר במערכות bioenergetic, שם הם יכולים להוכיח קטלני כמו מעכבי של נשימה תאית או הפוטוסינתזה13,14,15. בעיות דומות הן בלתי נמנעת עבור רוב שיעורי החלבונים שבהם מתכות שיורית מזהם יכול להפריע לפונקציות ביולוגיות של חלבון או לאפיון עם טכניקות ביולוגיות והביופיסיים.
בעוד הרמות של זיהום מתכת תחת תנאים אוקסיגון ושימוש בסרמדול כמו הימנעות הם בדרך כלל נמוך16, חלבון בדלנים שבוצעו בנוכחות של ציסטאין מפחיתה סוכנים (dtt, β-mercaptoethanol, וכו ‘) או עם מכשירי כלים חזקים כמו היסטידין17,18 או ethylenediamiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii באופן דומה, מאז יוני מתכת ב שרפים IMAC מתואמים לעתים קרובות על ידי קבוצות קרבוקסילית חלבון שבוצעו בתנאים חומציים צפויים גם להיות רמות גבוהות בהרבה של זיהום מתכת. תוכן מתכת בפתרונות ניתן להעריך באמצעות ספקטרוסקופיית קליטת האטום (AAS) ומצמידים באופן משולב פלזמה המוני הספקטרומטריה (הקאמרי-MS) עד למגבלה של זיהוי ב-ppb-ppt טווח21,22,23,24. למרבה הצער, AAS ו הקאמרי-MS אינם אמצעי מציאותי לאיתור במעבדה ביוכימיה מסורתית כמו שיטות אלה ידרוש גישה לציוד והדרכה מיוחדים.
העבודה הקודמת של בריטני25,26 חקרה את השימוש בהידרוינאפיול כחול (hnb) כדרך לזיהוי נוכחות של מתכות מעבר בתמיסה. עם זאת, היו כמה סתירות פנימיות בנתונים20 ועבודות אלה לא הציעו פרוטוקול הולם. מחקרים של Temel ואח ‘27 ופרטי ואח ‘28 הורחב על עבודתה של בריטני עם hnb כמחוון מתכת פוטנציאלי. עם זאת, Temel פיתח פרוטוקול שעושה שימוש AAS עבור ניתוח לדוגמה, באמצעות HNB רק כסוכן מכלפת. המחקר של פרטי השתמשו בשינוי בספקטרום של HNB בשנת 563 nm, אזור של ספקטרום הצבע החופשי HNB החופף בכבדות עם הספקטרום של מכלולי מתכת של HNB ב-pH 5.7, מה שהופך את רגישות הגישה נמוכה למדי, וכתוצאה מכך מתכת חלשה יחסית מחייבת זיקה20. כדי לטפל בבעיות במעבדה שלנו עם Ni2 + טיפת מ-IMAC, הרחבנו את העבודה שנעשתה על ידי בריטני25,26 ו ferreria28 לפתח שיטת קל מסוגל לזהות את רמות nanomolar של מספר מתכות מעבר. הראנו כי HNB נקשר ניקל ומשותף אחרים עבור מתכות IMAC עם כריכת משנה-nanomolar איגוד וטופס 1:1 מורכבות מעל מגוון רחב של ערכי pH20. הבקשה שדווחה כאן מבוססת על ממצאים אלה ומנצלת שינויי ספיגה בספקטרום HNB ב-647 ננומטר לצורך כימות מתכת. ניתן לבצע את השינוי בטווח ה-pH הפיזיולוגי באמצעות מאגרים ומכשור משותפים, המצויים במעבדת ביוכימיה טיפוסית באמצעות איתור וככמת של מכלולי מתכות לצביעת מתכת והשינוי הקשור בספיגת הצבע החופשי כאשר הוא נקשר למתכת.
Protocol
Representative Results
Discussion
גילוי מטרי הזיהוי של מתכות באמצעות HNB מספק דרך פשוטה לכמת את מידת הזיהום של חלבון על ידי מעבר יוני מתכת מ שרפים IMAC. כפי שקבענו בשופט 20, Ni2 + נקשר ל-hnb עם 1:1 סטויכמטריה וקבוע הדיסוציאציה עבור שינויים מורכבים NI-Hnb עם pH. עם זאת, ה– K המורכב נמצא בטווח ה-nM עבור כל ערכי ה-pH המומלצים (7-12). במונח…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע תחת גרנט MCB-1817448 ובפרס תומס פ’ וקייט מילר ג ‘ וליד הזיכרון, בנק אוף אמריקה, הנאמן והתורם המצוין לוז ת’ורפ קרמן ו ג’ורג ‘ גיי Carman אמון.
Materials
| 2xYT broth | Fisher Scientific | BP9743-500 | media for E.coli growth |
| HEPES, free acid | BioBasic | HB0264 | alternative buffer |
| HisPur Ni-NTA resin | Thermo Scientific | 88222 | |
| Hydroxynaphthol blue disoidum salt | Sigma-Aldrich | 219916-5g | |
| Imidazole | Fisher Scientific | O3196-500 | |
| Imidazole | BioBasic | IB0277 | |
| MOPS, free acid | BioBasic | MB0360 | alternative buffer |
| Sodium chloride | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Sodium phosphate | Fisher Scientific | S369-500 | alternative buffer |
| Tricine | Gold Bio | T870-100 | |
| Tris base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284-500 |
Referências
- Porath, J., Carlsson, J. A. N., Olsson, I., Belfrage, G. Metal chelate affinity chromatography, a new approach to protein fractionation. Nature. 258 (5536), 598-599 (1975).
- Block, H., et al. Immobilized-Metal Affinity Chromatography (IMAC): A Review. Methods in Enzymology. 463, 439-473 (2009).
- Takeda, N., Matsuoka, T., Gotoh, M. Potentiality of IMAC as sample pretreatment tool in food analysis for veterinary drugs. Chromatographia. 72 (1/2), 127-131 (2010).
- Felix, K., et al. Identification of serum proteins involved in pancreatic cancer cachexia. Life sciences. 88 (5-6), 218-225 (2011).
- Wu, C., et al. Surface enhanced laser desorption/ionization profiling: New diagnostic method of HBV-related hepatocellular carcinoma. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 24 (1), 55-62 (2009).
- Goldsmith, J. O., Boxer, S. G. Rapid isolation of bacterial photosynthetic reaction centers with an engineered poly-histidine tag. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1276 (3), 171-175 (1996).
- Guergova-Kuras, M., et al. Expression and one-step purification of a fully active polyhistidine-tagged cytochrome bc1 complex from Rhodobacter sphaeroides. Protein Expression and Purification. 15 (3), 370-380 (1999).
- Mitchell, D. M., Gennis, R. B. Rapid purification of wildtype and mutant cytochrome c oxidase from Rhodobacter sphaeroides by Ni(2+)-NTA affinity chromatography. FEBS Letters. 368 (1), 148-150 (1995).
- Tian, H., White, S., Yu, L., Yu, C. A. Evidence for the head domain movement of the rieske iron-sulfur protein in electron transfer reaction of the cytochrome bc1 complex. Journal of Biological Chemistry. 274 (11), 7146-7152 (1999).
- Tian, H., Yu, L., Mather, M. W., Yu, C. A. Flexibility of the neck region of the rieske iron-sulfur protein is functionally important in the cytochrome bc1 complex. Journal of Biological Chemistry. 273 (43), 27953-27959 (1998).
- Louie, A. Y., Meade, T. J. Metal complexes as enzyme inhibitors. Chemical Reviews. 99 (9), 2711-2734 (1999).
- Tamás, M. J., Sharma, S. K., Ibstedt, S., Jacobson, T., Christen, P. Heavy Metals and Metalloids As a Cause for Protein Misfolding and Aggregation. Biomolecules. 4 (1), 252-267 (2014).
- Gerencser, L., Maroti, P. Retardation of proton transfer caused by binding of the transition metal ion to the bacterial reaction center is due to pKa shifts of key protonatable residues. Bioquímica. 40 (6), 1850-1860 (2001).
- Klishin, S. S., Junge, W., Mulkidjanian, A. Y. Flash-induced turnover of the cytochrome bc1 complex in chromatophores of Rhodobacter capsulatus: binding of Zn2+ decelerates likewise the oxidation of cytochrome b, the reduction of cytochrome c1 and the voltage generation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1553 (3), 177-182 (2002).
- Link, T. A., von Jagow, G. Zinc ions inhibit the QP center of bovine heart mitochondrial bc1 complex by blocking a protonatable group. Journal of Biological Chemistry. 270 (42), 25001-25006 (1995).
- Block, H., Kubicek, J., Labahn, J., Roth, U., Schäfer, F. Production and comprehensive quality control of recombinant human Interleukin-1beta: a case study for a process development strategy. Protein Expression and Purification. 57 (2), 244-254 (2008).
- Kokhan, O., Shinkarev, V. P., Wraight, C. A. Binding of imidazole to the heme of cytochrome c1 and inhibition of the bc1 complex from Rhodobacter sphaeroides: II. Kinetics and mechanism of binding. Journal of Biological Chemistry. 285 (29), 22522-22531 (2010).
- Kokhan, O., Shinkarev, V. P., Wraight, C. A. Binding of imidazole to the heme of cytochrome c1 and inhibition of the bc1 complex from Rhodobacter sphaeroides: I. Equilibrium and modeling studies. Journal of Biological Chemistry. 285 (29), 22513-22521 (2010).
- Bornhorst, J. A., Falke, J. J. Purification of proteins using polyhistidine affinity tags. Methods in Enzymology. 326, 245-254 (2000).
- Kokhan, O., Marzolf, D. R. Detection and quantification of transition metal leaching in metal affinity chromatography with hydroxynaphthol blue. Analytical Biochemistry. 582, 113347 (2019).
- Doyle, C., Naser, D., Bauman, H., Rumfeldt, J., Meiering, E. Spectrophotometric method for simultaneous measurement of zinc and copper in metalloproteins using 4-(2-pyridylazo)resorcinol. Analytical Biochemistry. 579, 44-56 (2019).
- Furrer, J., Smith, G. S., Therrien, B., Gasser, G. . Inorganic Chemical Biology. , (2014).
- Hogeling, S. M., Cox, M. T., Bradshaw, R. M., Smith, D. P., Duckett, C. J. Quantification of proteins in whole blood, plasma and DBS, with element-labelled antibody detection by ICP-MS. Analytical Biochemistry. 575, 10-16 (2019).
- Yamasaki, S., Tsumura, A., Takaku, Y. Ultratrace Elements in Terrestrial Water as Determined by High-Resolution ICP-MS. Microchemical Journal. 49 (2), 305-318 (1994).
- Brittain, H. G. Complex Formation Between Hydroxy Naphthol Blue and First Row Transition Metal Cyanide Complexes. Analytical Letters. 10 (13), 1105-1113 (1977).
- Brittain, H. G. Binding of Transition Metal Ions by the Calcium Indicator Hydroxy Naphthol Blue. Analytical Letters. 11 (4), 355-362 (1978).
- Temel, N. K., Sertakan, K., Gürkan, R. Preconcentration and Determination of Trace Nickel and Cobalt in Milk-Based Samples by Ultrasound-Assisted Cloud Point Extraction Coupled with Flame Atomic Absorption Spectrometry. Biological Trace Element Research. 186 (2), 597-607 (2018).
- Ferreira, S. L. C., Santos, B. F., de Andrade, J. B., Costa, A. C. S. Spectrophotometric and derivative spectrophotometric determination of nickel with hydroxynaphthol blue. Microchimica Acta. 122 (1), 109-115 (1996).
- Denisov, I. G., Grinkova, Y. V., Lazarides, A. A., Sligar, S. G. Directed Self-Assembly of Monodisperse Phospholipid Bilayer Nanodiscs with Controlled Size. Journal of the American Chemical Society. 126 (11), 3477-3487 (2004).
- Grinkova, Y. V., Denisov, I. G., Sligar, S. G. Engineering extended membrane scaffold proteins for self-assembly of soluble nanoscale lipid bilayers. Protein Engineering, Design and Selection. 23 (11), 843-848 (2010).
- Bonta, M., Hegedus, B., Limbeck, A. Application of dried-droplets deposited on pre-cut filter paper disks for quantitative LA-ICP-MS imaging of biologically relevant minor and trace elements in tissue samples. Analytica Chimica Acta. 908, 54-62 (2016).
- Olmedo, P., et al. Validation of a method to quantify chromium, cadmium, manganese, nickel and lead in human whole blood, urine, saliva and hair samples by electrothermal atomic absorption spectrometry. Analytica Chimica Acta. 659 (1), 60-67 (2010).
- Shyamal, M., et al. Highly Selective Turn-On Fluorogenic Chemosensor for Robust Quantification of Zn(II) Based on Aggregation Induced Emission Enhancement Feature. ACS Sensors. 1 (6), 739-747 (2016).
- Kudo, H., Yamada, K., Watanabe, D., Suzuki, K., Citterio, D. Paper-Based Analytical Device for Zinc Ion Quantification in Water Samples with Power-Free Analyte Concentration. Micromachines. 8 (4), 127 (2017).
- Liu, R., Zhang, P., Li, H., Zhang, C. Lab-on-cloth integrated with gravity/capillary flow chemiluminescence (GCF-CL): towards simple, inexpensive, portable, flow system for measuring trivalent chromium in water. Sensors and Actuators B: Chemical. 236 (C), 35-43 (2016).
