Ultra Performanslı Sıvı Kromatografisi ile Bileşimsel Analiz için Bakteriyel Hücre Duvarlarının İzolasyonu ve Hazırlanması
Summary
Bakteri hücre duvarı peptidoglikan, peptitler tarafından çaprazlanmış şeker iplikçiklerinden oluşan bir makromoleküler ağdır. Ultra Performanslı Sıvı Kromatografi, peptidoglikan kompozisyonunun yeni keşifleri için yüksek çözünürlük ve verim sağlar. Hücre duvarlarının izolasyonu (sakculi) ve daha sonra UPLC aracılığıyla analize hazırlanmaları için bir prosedür sunuyoruz.
Abstract
Bakteri hücre duvarı, büyüme ve bölünme sırasında hücre şeklinin belirlenmesi için kritik öneme sahiptir ve turgor basınçları karşısında hücrelerin mekanik bütünlüğünü korur. Bakteri krallığının çeşitli şekil ve boyutlarında, hücre duvarı kısa peptitlerle birbirine bağlanmış bir makromoleküler şeker iplikçik ağı olan peptidoglikan’dan oluşur. Peptidoglikanın bakteriyel fizyolojiye verdiği merkezi önem, antibiyotik hedefi olarak kullanılmasının altındadır ve büyüme ve bölünme sırasında nasıl sağlam bir şekilde bir araya getirildiğine dair genetik, yapısal ve hücre biyolojik çalışmalarını motive etmektedir. Bununla birlikte, peptidoglikan sentezindeki temel enzimatik faaliyetleri ve bakteri hücre duvarlarının kimyasal bileşimini tam olarak karakterize etmek için hala kapsamlı araştırmalar yapılması gerekmektedir. Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC), çeşitli çevresel ve genetik koşullar altında yetişen bakterilerin duvarlarının kimyasal bileşimindeki farklılıkları ölçmek için güçlü bir analitik yöntemdir, ancak verimi genellikle sınırlıdır. Burada, HPLC ve Ultra Performanslı Sıvı Kromatografisi (UPLC) aracılığıyla peptidoglikan’ın biyolojik analizleri için bakteri hücre duvarlarının izolasyonu ve hazırlanması için basit bir prosedür sunuyoruz, HPLC için 6.000 psi ile karşılaştırıldığında, 15.000 psi’ye kadar ultra yüksek basınç sağlamak için pompaları kullanan HPLC’nin bir uzantısı. Burada sunulan bakteri hücre duvarlarının hazırlanmasıyla birlikte, düşük hacimli numune enjektörleri, yüksek örnekleme oranlarına sahip dedektörler, daha küçük numune hacimleri ve UPLC’nin daha kısa çalışma süreleri, ultrasantrifüje ve UPLC’ye erişimi olan çoğu biyolojik laboratuvarda peptidoglikan bileşiminin ve temel bakteri hücre biyolojisinin yeni keşifleri için yüksek çözünürlük ve verim sağlayacaktır.
Introduction
Burada açıklanan yöntemin amacı, bozulmamış bakteri hücre duvarlarını (sakculi) izole etmek ve peptidoglikan’ı (PG) sindirmektir, böylece Ultra Performanslı Sıvı Kromatografisi (UPLC), muropeptid bileşenlerinin kimliği ve konsantrasyonları, glikan iplikçiklerinin ortalama uzunluğu ve iplikçikler arasındaki çapraz bağlantılarda yer alan malzemenin fraksiyonu gibi bilgileri sağlamak için kullanılabilir. PG biyokimyası ve muropeptid türlerinin ayrıntılı bir tartışması için, PG yapısını ve enfeksiyon, direnç, morfogenez ve büyümedeki rolünü açıklayan birkaç mükemmel inceleme vardır1-6. PG analizi için Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC) ilk olarak 1980’lerde Glauner ve Schwarz tarafından geliştirilmiştir ve daha yakın zamanda Miguel de Pedro ve Waldemar Vollmer laboratuvarlarında geliştirilmiş ve yaygın olarak uygulanmıştır. Önceki yöntemlerde amino asit analizi veya kağıt kromatografisi, hücre duvarı bileşenlerinin doğru veya tam değerlendirmelerini yapmayan zaman alıcı ve sıkıcı teknikler kullanılmıştır.
UPLC analizi, ultracentrifuge ve UPLC erişimi olan herhangi bir temel araştırma laboratuvarında kolayca uygulanabilir. Aşağıda sunduğumuz UPLC yöntemi tam sakkuliyi izole eder, böylece buradaki tüm kimyasal türler hakkında kapsamlı, nicel bilgiler sağlar. Bu yöntem, 20 dakikalık bir UPLC çalışması içinde, bakteri popülasyonu boyunca tüm muropeptitlerin hassas bir şekilde ölçülmesini verir. Bu yöntemin uygulanması, malzemelere önemli bir finansal yatırım yapılmadan sadece temel laboratuvar becerilerini içerir. Bu yöntemdeki adımların yürütülmesi için, araştırmacıların sadece pipetleme, tampon ve enzim hazırlama ve pH’ı ayarlama konusunda yetenekli olmaları ve çok çeşitli bilimsel disiplinler için erişilebilir hale getirmeleri gerekir. Bu protokolde kullanılan enzimlerin seçimi analiz edilen bakteri türlerine bağlıdır; burada açıklanan protokol Escherichia coliiçin yararlıdır ve genellikle diğer Gram-negatif organizmalardan sakculi izole etmek için yeterli bulunmuştur. Gram-pozitif bakterilere bu yöntem uygulanırken literatüre danışılma önerilir; bu türlerde, sakculus saflaştırma geleneksel olarak daha zor olmuştur. Özellikle, gram-pozitif bakterilerin teikoik asitleri gibi kalın duvarları ve aksesuar polimerlerini barındırmak için enzim seçimi ve sindirim sürelerinin uzunluğu açısından bu yöntemin değiştirilmesi gerekebilir. Bu protokoldeki ilk enzim, peptidoglikan’a dış membran lipoprotein (Braun’un lipoprotein veya Lpp gibi) bağlanmasını ayırır, böylece Lpp’nin C-terminali di- (veya üç) peptidi hariç hepsini hücre duvarından serbest bırakır. Bu adım Enterobacteria’yı incelerken gereklidir, ancak diğer birçok Gram-negatif bakterinin Lpp eşdeğeri yoktur ve bu nedenle bu adım atlanabilir. İkinci bir enzim, peptidoglikanın muramik asit bileşeninden sonra özellikle bölünür ve muropeptid türünü oluşturan disakkarit alt birliğini yatıştırır. PG’nin mimarisinin doğru bir değerlendirmesini sağlamak için, çapraz köprülerin veya peptit sapının başka bir kısmının bölünmesini önlemek için sakculi sindirmeye özen edilmelidir.
Peptidoglikanın 100’den fazla ~40 bakteri türünden kimyasal bileşimleri HPLC tarafından analiz edilmiş olsa da, UPLC teknolojisi ile herhangi bir analiz yapılmamıştır. Ek olarak, önceki çalışmalar peptidoglikanı bakteriyel etki alanının sadece küçük bir kısmından karakterize etti, kısmen HPLC’nin verimi ile sınırlı. Bu nedenle, bu yöntemin mümkün olduğunca çok araştırmacıya yayılması ve UPLC platformlarında uygulanması, peptidoglikan henüz kategorize edilmemiş bakteri türlerinin büyük bir kısmının fizyolojik çalışmalarını yönlendirmek için kritik olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu prosedürde kritik bir adım, numune hazırlamanın ikinci gününün 3.1. SDS bir gecede çöktüyse veya numuneler oda sıcaklığında birkaç hafta boyunca% 4 SDS’de saklanmışsa, SDS’yi yeniden analiz etmek için numuneler en az 1 saat boyunca yeniden ayrılmalıdır. SDS yağışının yaygın bir nedeni potasyum tuzları olan ortamın kullanılmasıdır, bu nedenle mümkünse medyada potasyumdan kaçınılmalıdır. Temsili Sonuçlar bölümünde belirtildiği gibi, pH’ı muropeptidlerin izoelektrik noktasına…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH Director’un Yeni Yenilikçi Ödülü DP2OD006466 (K.C.H.’ye) tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Russell Monds’a yöntemin pratik bir gösterimi ve bilimsel tartışmalar için teşekkür ediyor.
Materials
| Pronase E | Amresco | E629 | |
| Mutanolysin from Streptomyces | Sigma-Aldrich | M9901 | |
| Sodium borohydride (NaBH4) | Sigma-Aldrich | 452882 | Sodium borohydride is highly reactive and dangerous to handle |
| Orthophosphoric acid | Sigma-Aldrich | 79607 | Orthophosphoric acid is corrosive and dangerous to handle |
| Boric acid | Sigma-Aldrich | 31146 | |
| Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | Sodium azide is a poison |
| Sodium tetraborate | Sigma-Aldrich | 221732 | |
| Millex 0.22 μm syringe filters | Fisher | SLGVR04NL | |
| pH strips (pH range 0-6) | Fisher | M95863 | |
| 50 ml polypropylene Falcon tubes | VWR | 21008-951 | |
| 13 mm x 100 mm glass tubes | Kimble Chase | 60CM13 | |
| 12 mm x 32 mm screw neck glass recovery vial | Waters | 186000327C | |
| Sodium Dodecyl Sulfate | Ambion | AM9820 | SDS powder is hazardous |
| Instrumentation | |||
| Waters Acquity UPLC H-Class system, including: | |||
| Acquity UPLC H-Class Sample Manager FTN | |||
| Acquity UPLC H-Class Quaternary Solvent Manager | |||
| Acquity UPLC BEH C18 1.7 µm column | |||
| Acquity UPLC PDA Detector | |||
| Waters Fraction Collector III | |||
| Acquity UPLC 30 cm Column Heater/Cooler | |||
References
- den Blaauwen, T., de Pedro, M. A., Nguyen-Disteche, M., Ayala, J. A. Morphogenesis of rod-shaped sacculi. FEMS Microbiol. Rev. 32, 321-344 (2008).
- Holtje, J. V. Growth of the stress-bearing and shape-maintaining murein sacculus of Escherichia coli. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62, 181-203 (1998).
- Typas, A., Banzhaf, M., Gross, C. A., Vollmer, W. From the regulation of peptidoglycan synthesis to bacterial growth and morphology. Nat. Rev. Microbiol. 10, 123-136 (2011).
- Vollmer, W., Blanot, D., de Pedro, M. A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiol. Rev. 32, 149-167 (2008).
- Davis, K. M., Weiser, J. N. Modifications to the peptidoglycan backbone help bacteria to establish infection. Infect. Immun. 79, 562-570 (2011).
- Healy, V. L., Lessard, I. A., Roper, D. I., Knox, J. R., Walsh, C. T. Vancomycin resistance in enterococci: reprogramming of the D-ala-D-Ala ligases in bacterial peptidoglycan biosynthesis. Chem. Biol. 7, 109-119 (2000).
- Desmarais, S. M., De Pedro, M. A., Cava, F., Huang, K. C. Peptidoglycan at its peaks: how chromatographic analyses can reveal bacterial cell wall structure and assembly. Mol. Microbiol. 89, 1-13 (2013).
- Glauner, B., Holtje, J., Schwarz, U. The Composition of the murein of Escherichia coli. J. Biol. Chem. 263, 10088-10095 (1988).
- Glauner, B. Separation and quantification of muropeptides with high-performance liquid chromatography. Anal. Biochem. 172 (2), 451-464 (1988).
- Joseleau-Petit, D., Liebart, J. C., Ayala, J. A., D’Ari, R. Unstable Escherichia coli L forms revisited: growth requires peptidoglycan synthesis. J. Bacteriol. 189, 6512-6520 (2007).
- Hakenbeck, R., Holtje, J. V., Labischinski, H. . The target of penicillin: the murein sacculus of bacterial cell walls architecture and growth. , (1983).
- Boylen, C. W., Ensign, J. C. Ratio of teichoic acid and peptidoglycan in cell walls of Bacillus subtilis following spire germination and during vegetative growth. J. Bacteriol. 96, 421-427 (1968).
- Sutow, A. B., Welker, N. E. Chemical composition of the cell walls of Bacillus stearothermophilus. J. Bacteriol. 93, 1452-1457 (1967).
- Wang, W. S., Lundgren, D. G. Peptidoglycan of a chemolithotrophic bacterium, Ferrobacillus ferrooxidans. J. Bacteriol. 95, 1851-1856 (1968).
- de la Rosa, E. J., de Pedro, M. A., Vazquez, D. Penicillin binding proteins: role in initiation of murein synthesis in Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 5632-5635 (1985).
- Kandler, O., Schleifer, K. H., Dandl, R. Differentiation of Streptococcus faecalis Andrewes and Horder and Streptococcus faecium Orla-Jensen based on the amino acid composition of their murein. J. Bacteriol. 96, 1935-1939 (1968).
- Kumar, A., Saini, G., Nair, A., Sharma, R. UPLC: a preeminent technique in pharmaceutical analysis. Acta Poloniae Pharmaceutica. 69, 371-380 (2012).
- Wilson, I. D., et al. High resolution "ultra performance" liquid chromatography coupled to oa-TOF mass spectrometry as a tool for differential metabolic pathway profiling in functional genomic studies. J. Proteome Res. 4, 591-598 (2005).
- Wieser, A., Schneider, L., Jung, J., Schubert, S. MALDI-TOF MS in microbiological diagnostics-identification of microorganisms and beyond (mini review). Appl. Microbiol. Biotechnol. 93, 965-974 (2012).
