פרוטוקול MPLEx עבור ניתוחים מולטי-omic של דגימות אדמה
Summary
פרוטוקול מוצג עבור חילוץ מטבוליטים, חלבונים ושומנים דגימת אדמה אחד בו זמנית, המאפשר דגימת מופחתת הכנה פעמים ולאפשר מולטי-omic ניתוחים ספקטרומטר מסה של דגימות עם כמויות מוגבלות.
Abstract
ספקטרומטר מסה (MS)-מבוסס metaproteomic משולב, metabolomic ו- lipidomic (multi-omic) מחקרים משנים צורה של היכולת שלנו להבין ולאפיין קהילות חיידקים במערכות ביולוגיות וסביבתיות. מדידות אלה אפילו אתם מאפשרים ניתוח משופרת הקהילות מיקרוביאלית בקרקע מורכבים, אשר הם הכי מערכות מורכבות מיקרוביאלי ידוע עד כה. ניתוח רב-omic, אולם בעל מדגם הכנה אתגרים, מאז נפרד עקירות נדרשים בדרך כלל עבור כל מחקר omic, במיתון מגביר את זמן הכנה ואת משך דגימת נדרש. כדי לטפל מגבלה זו, שיטה 3 ב- 1 על החילוץ סימולטני של מטבוליטים, חלבונים ושומנים (MPLEx) מן הקרקע באותה דגימת זרע נוצר על ידי התאמת בגישה ממס מבוסס. פרוטוקול זה MPLEx הוכיחה להיות פשוטה וגם חזקים עבור סוגי דגימה רבים, גם כאשר מנוצל עבור כמויות מוגבלות של דגימות. אדמה מורכבים. שיטת MPLEx זמין במידה רבה גם את המידות מהירה multi-omic הדרושים כדי להשיג הבנה טובה יותר של חברי כל הקהילה מיקרוביאלי, תוך הערכת את השינויים המתרחשים בעת לפליטת ביולוגי וסביבתי.
Introduction
הערכת קהילות מיקרוביאלית בקרקע יש השלכות חשובות להבנת שינוי האקלים ורכיבה פחמן. מחקרים שנעשו לאחרונה הראו אולם קשיים, כגון חוסר הגנום ברצף עבור microbiota בסוגים שונים של אדמה והפונקציה לא ידוע של החלבונים זוהה רבים. כתוצאה אתגרים בשל קרקע להיות הקהילה מיקרוביאלי המורכבים ביותר הידוע עד כה1,2,3. ניתוח רב-omic, המשלבים נובע metagenomic ‘, ‘ metatranscriptomic ‘, ‘ metaproteomic ‘, metabolomic, lipidomic מחקרים, יושמו לאחרונה במחקרים קרקע רבים כדי להשיג הבנה טובה יותר לתוך החיידקים ההווה, תוך קבלת מידע מקיף אודות השינויים המולקולריים המתרחשים בשל הסביבה לפליטת1,4,5. אתגר אחד עם מחקרים מולטי-omic זה ספקטרומטר מסה (MS)-לפי מידות metaproteomic, metabolomic ו- lipidomic מצריכים בדרך כלל תהליך החילוץ ספציפיים עבור כל omic להיות MS התואם6,7 , 8 , 9. אלה נהלים מדויקים להפוך ביישום שלהם מאוד קשה או בלתי אפשרי כאשר רק כמות מוגבלת של המדגם הינו זמין. האתגרים הללו עוררו אותנו לחקור בו זמנית מטבוליט, חלבונים, שומנים בדם החילוץ (MPLEx) שיטה מסוגלת באמצעות אמצעי אחסון מדגם קטן או גושים, שיפור דיוק, מתן דגימת מהר יותר, ההכנות כל שלושה ניתוחים 10. נכון להיום, ישנם הליכים החילוץ אין קרקע חלופית להשגת כל המטרות הללו.
כדי לאפשר ריבוי העולמית-omic ניתוחים של דגימת אדמה יחיד, פרוטוקול החילוץ בממיסים אורגניים המבוססים על כלורופורם, מתנול, הפרדות צבע המים היה שימוש10. שיטה זו פותחה במקור עבור סך השומנים עקירות9,11 , ולאחרונה תוקן על החילוץ סימולטני של מטבוליטים, חלבונים, שומנים מדגם יחיד12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22, 23,24,25,26,27,28,29,30, שמאפשר הכמות המדגם פחות, השתנות ניסיוני10. פרוטוקול MPLEx, כלורופורם אינה miscible עם מים, אשר מספק את הבסיס עבור triphasic כימי ההפרדה של מדגם המרכיבים לתוך שברים נפרדים. פזה מימית בראש מכיל ולכן מטבוליטים הידרופיליות, ואחריו דיסק חלבון, ואז שכבה השומנים בשלב כלורופורם התחתון (איור 1). MPLEx מוחל על רוב קרקעות, חלקיקי הלכלוך מצטבר בתחתית מאוד של הצינורות דגימה, יכול להיות מושלך לאחר שנאספו כל השכבות. כל סוג הקרקע עשויות להיות שונות, עם זאת, ובשנת אדמה מאוד אורגני כגון כבול, שפכי אדמה נשאר השכבה האמצעית לא נופל לתחתית הצינור הדגימה. MPLEx מספקת מספר יתרונות כאשר בידוד המולקולה מספר סוגי מדגם זהה כגון כמויות מדגם קטן 1) יכול לשמש עבור ניתוחים רב-omic, 2) מולטי-omic ושילוב הירידה מדגם זהה השתנות ניסיוני הכולל, ואת 3) ניתן להכין במספרים גדולים של דגימות מהר יותר תפוקה גבוהה יותר מחקרים10. יחד יתרונות אלה הם חיוני למתן יותר יכולות מדידה להערכת דגימות. אדמה וקהילות מיקרוביאלי מורכבים שלהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשוב לציין כי לא כל המעבדות יהיו זמינות ציוד אז שיטות מסוימות, לדוגמה השלב פירוק, ניתן להתאים. כאן אנו משתמשים vortexing sonicating, אולם השימוש מכה חרוז גדול 50 מ ל יעבוד. אם איזה שהוא לופילייזר עם טמפרטורת אספן מסוגל-105 מעלות צלזיוס אינה זמינה, יכולים להיות מיובש דגימות תחת זרם חנקן. גם סוגי אדמה להשת?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות נתן ג’ונסון על סיועו בהכנת הדמויות. מחקר זה נתמך על ידי תוכנית פאן-טכנולוגיות אשר ממומן על ידי של משרד האנרגיה האמריקני של Office הביולוגיים ומחקר סביבתי (תכנית גנומית של המדע), Microbiomes המעבר (מנטה) מעבדה מכוונות פיתוח מחקר היזמה המעבדה הלאומית הפסיפי, כמו גם את נבחרת מוסדות של הבריאות הלאומי מכון בריאות למדעי הסביבה (R01 ES022190) ו- NIH (P42 ES027704). KEBJ הייתי רוצה להודות R21 HD084788 עבור תמיכה כספית לפתח ולאמת טכניקות החילוץ רומן רב-omic. עבודה זו בוצעה ב W. R. ויילי סביבתיים מולקולרית מדעי מעבדה (EMSL), מתקן משתמש המדעי לאומי DOE-הפסיפי הלאומי מעבדה (PNNL). PNNL הוא מעבדה לאומית רב התוכנית המופעלת ע י Battelle על האלמונית תחת חוזה דה-AC06-76RL01830.
Materials
| Chloroform | Sigma-Aldrich | 650498 | Stored at -20°C !Caution chloroform has acute potential health effects, skin irritation and possible chemical burns, irritation to the respiratory system, may affect the kidneys, liver, heart. Wear suitable protective glasses, clothing and gloves, work in a fume hood. |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | Stored at -20°C !Caution Methanol may cause respiratory tract, skin and eye irritation, may damage the nerves, kidneys and liver. Wear suitable protective glasses, clothing and gloves, work in a fume hood. |
| Purified water from Millipore | Milli-Q | Water purification system. | |
| Sodium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | L6026 | !Caution SDS causes acute toxicity and is flammable. It is a skin, eye and airway irritant. Wear gloves and safety glasses. |
| Soil protein extraction kit | MoBio, NoviPure Soil Protein Extraction Kit, Qiagen | 30000-20 | |
| DL-dithiothreitol | Sigma-Aldrich | 43815 | |
| 1M Trizma HCL | Sigma-Aldrich | T2694 | |
| Trichloroacetic acid | Sigma-Aldrich | T0699 | !Caution TCA is caustic, toxic and may cause skin burns. Wear gloves and safety glasses. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 650501 | Stored at -20°C !Caution Acetone may cause respiratory tract and skin and eye irritation. Flammable liquid and vapor. Wear safety glasses gloves and a lab coat, work in a fume hood. |
| Urea | Sigma-Aldrich | 208884 | !Caution Urea is an eye and skin irritant, use gloves and safety glasses |
| Ammonium bicarbonate | Fluka | 09830 | |
| Trypsin | Promega | V528A | 20µg vials |
| Bicinchoninic acid protein assay kit | Pierce | 23227 | |
| Ammonium Formate | Sigma-Aldrich | 09735 | |
| Acetonitrile | Sigma-Aldrich | 34998 | !Caution Acetonitrile is a skin and eye irritant. Highly flammable. Wear gloves and safety glasses. Work in a fume hood. |
| Trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | T6508 | !Caution TFA is extremely hazardous in case of skin contact, eye contact, ingestion and inhalation. May produce tissue damage particularly on mucous membranes of eyes, mouth and respiratory tract. Skin contact may produce burns. Wear gloves, lab coat, safety glasses and work in a fume hood. |
| Methoxyamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 226904 | !Caution Methoxyamine hydrochloride causes severe burns and serious damage to eyes, may cause sensitization by skin contact. Wear safety glasses, gloves and lab coat, work in a fume hood. |
| Pyridine | Sigma-Aldrich | 270970 | !Caution Pyridine can cause skin and eye irritation, central nervous system depression. Vapor may cause flash fire. Wear safety glasses, gloves and lab coat, work in a fume hood. |
| N-Methyl-N-(trimethylsilyl)trifluoroacetamide with 1% trimethylchlorosilane | Sigma-Aldrich | 69478 | !Caution MSTFA + 1% TMCS can cause skin corrosion, serious eye damage and specific target organ toxicity. Flammable liquid and vapor. Wear safety glasses, gloves and lab coat, work in a fume hood. |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| Milli-Q water purification system | Millipore | model MPGP04001 | |
| Vortex | Scientific Industries | SI-0236 | Vortex Genie 2 |
| Probe sonicator | FisherBrand | model FB505 | |
| Refrigerated centrifuge | Eppendorf | model 5810R | |
| 50mL tube swinging bucket rotor | Eppendorf | A-4-44 | |
| 50mL fixed angle rotor | Eppendorf | FA-45-6-30 | |
| Balance | OHAUS | model V22PWE150IT | |
| Serological pipette controller | Eppendorf | 12-654-100 | |
| 10mL, 25mL glass serological pipettes | FisherBrand | 13-678-27F, 13-678-36D | |
| Thermomixer with Thermotop | Eppendorf | 5382000015, 5308000003 | |
| 0.9 – 2.0 mm blend stainless steel beads | NextAdvance | SSB14B | |
| 0.15 mm garnet beads | MoBio | 13122-500 | |
| Magnetic stir plate | FisherBrand | 11-100-16SH | |
| Magnetic stir bar | FisherBrand | 14512130 | |
| pH paper strips, pH range 0–14 | FisherBrand | M95903 | |
| 15mL, 50mL conical polypropylene centrifuge tube | Genesee Scientific | 21-103 21-108 | chloroform compatible |
| 50mL vortex attachment | MoBio | 13000-V1-50 | |
| Ice bucket | FisherBrand | 02-591-44 | |
| 27.25x70mm glass vials | FisherBrand | 03-339-22K | |
| Breathe Easier plate membranes | Midwest Scientific | BERM-2000 | |
| Alcohol wipes | Diversified Biotech | BPWP-1000 | |
| Heater shaker incubator | Benchmark, Incu-Shaker Mini | ||
| Analog rotisserie tube rotator | SoCal BioMed, LLC | 82422001 | |
| Filter-Aided-Sample-Prep kit | FASP; Expedeon | 44250 | |
| Microplate reader | Biotek, EPOCH | ||
| -20 Degree Celsius Freezer | Fisher | 13986149 | |
| -80 Degree Celsius Freezer | Stirling Ultracold | SU78OUE | |
| Q-Exactive ion trap mass spectrometer | Thermo Scientific | ||
| Agilent 7890A gas chromatograph coupled with a single quadrupole 5975C mass spectrometer | Agilent Technologies, Inc. | ||
| LTQ-Orbitrap Velo | Thermo Scientific | ||
| Waters NanoEquityTM UPLC system | Millford, MA | ||
| 250mL media bottle | FisherBrand | 1395-250 | |
| Waters vial | Waters | 186002805 | |
| Glass MS sample vial and inserts | MicroSolv | 9502S-WCV, 9502S-02ND | |
| Glass HPLC vial and snap caps | MicroSolv | 9512C-0DCV, 9502C-10C-B | |
| HPLC 96-well plate | Agilent | 5042-6454 | |
| Large glass vial 27.25x70mm | FisherBrand | 03-339-22K | |
| Lyophilizer | Labconco | 7934021 | |
| Polished stainless steel flat head spatula | Spoonula; FisherBrand | 14-375-10 | |
| Kim wipes | Kimberly-Clark | 34721 | |
| XBridge C18, 250×4.6 mm, 5 μM with 4.6×20 mm guard column | Waters | 186003117, 186003064 | |
| Agilent 1100 series HPLC system | Agilent Technologies | G1380-90000 | |
| 1.7mL centrifuge tube | Sorenson | 11700 | |
| Hamilton Glass Syringes, 5mL, 50µL and 250µL | Hamilton | 81517, 80975, 81175 | |
| Pasteur Pipettes | FisherBrand | 13-678-20A | |
| Pasteur Pipette Bulbs | Sigma-Aldrich | Z111597 | |
| Bath Sonicator | Branson 1800 Ultrasonic Cleaner | ||
| Vacuum Centrifuge | Labconco Centrivap Acid-Resistant Concentrator System | ||
| MicroSpin Columns, C18 Silica | The Nest Group | SEM SS18V | |
References
- Hultman, J., et al. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes. Nature. 521, 208-212 (2015).
- White, R. A., et al. Moleculo long-read sequencing facilitates assembly and genomic binning from complex soil metagenomes. mSystems. 1, (2016).
- White, R. A., Callister, S. J., Moore, R. J., Baker, E. S., Jansson, J. K. The past, present and future of microbiome analyses. Nat Protoc. 11, 4-8 (2016).
- Ritchie, M. D., Holzinger, E. R., Li, R., Pendergrass, S. A., Kim, D. Methods of integrating data to uncover genotype-phenotype interactions. Nat Rev Genet. 16, 85-97 (2015).
- Jansson, J. K., Baker, E. S. A multi-omic future for microbiome studies. Nat Microbiol. 1, (2016).
- Domon, B., Aebersold, R. Options and considerations when selecting a quantitative proteomics strategy. Nat Biotechnol. 28, 710-721 (2010).
- Marx, V. Targeted proteomics. Nat Methods. 10, 19-22 (2013).
- Roberts, L. D., Souza, A. L., Gerszten, R. E., Clish, C. B. Targeted metabolomics. Curr Protoc Mol Biol. , (2012).
- Folch, J., Lees, M., Sloane Stanley, G. H. A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues. J Biol Chem. 226, 497-509 (1957).
- Nakayasu, E. S., et al. MPLEx: a Robust and Universal Protocol for Single-Sample Integrative Proteomic, Metabolomic, and Lipidomic Analyses. mSystems. 1, (2016).
- Bligh, E. G., Dyer, W. J. A rapid method of total lipid extraction and purification. Can J Biochem Physiol. 37, 911-917 (1959).
- Pomraning, K. R., et al. Multi-omics analysis reveals regulators of the response to nitrogen limitation in Yarrowia lipolytica. BMC Genomics. 17, 138 (2016).
- Tisoncik-Go, J., et al. Integrated Omics Analysis of Pathogenic Host Responses during Pandemic H1N1 Influenza Virus Infection: The Crucial Role of Lipid Metabolism. Cell Host Microbe. 19, 254-266 (2016).
- Kyle, J. E., et al. Uncovering biologically significant lipid isomers with liquid chromatography, ion mobility spectrometry and mass spectrometry. Analyst. 141, 1649-1659 (2016).
- Lovelace, E. S., et al. Silymarin Suppresses Cellular inflammation by inducing reparative stress signaling. J Nat Prod. 78, 1990-2000 (1990).
- Kim, Y. M., et al. Diel metabolomics analysis of a hot spring chlorophototrophic microbial mat leads to new hypotheses of community member metabolisms. Front Microbiol. 6, 209 (2015).
- Pomraning, K. R., et al. Comprehensive Metabolomic, Lipidomic and microscopic profiling of Yarrowia lipolytica during lipid accumulation identifies targets for increased lipogenesis. PLoS One. 10, e0123188 (2015).
- Huang, E. L., et al. The fungus gardens of leaf-cutter ants undergo a distinct physiological transition during biomass degradation. Environ Microbiol Rep. 6, 389-395 (2014).
- Deatherage Kaiser, B. L., et al. A Multi-Omic View of Host-Pathogen-Commensal Interplay in Salmonella-Mediated Intestinal Infection. PLoS One. 8, e67155 (2013).
- Kim, Y. M., et al. Salmonella modulates metabolism during growth under conditions that induce expression of virulence genes. Mol Biosyst. 9, 1522-1534 (2013).
- Ansong, C., et al. A multi-omic systems approach to elucidating Yersinia virulence mechanisms. Mol Biosyst. 9, 44-54 (2013).
- Bordbar, A., et al. Model-driven multi-omic data analysis elucidates metabolic immunomodulators of macrophage activation. Mol Syst Biol. 8, 558 (2012).
- Hu, Z. P., et al. Metabolomic response of human skin tissue to low dose ionizing radiation. Mol Biosyst. 8, 1979-1986 (2012).
- Perera, R., et al. Dengue virus infection perturbs lipid homeostasis in infected mosquito cells. PLoS Pathog. 8, e1002584 (2012).
- Gao, X., et al. A reversed-phase capillary ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry (UPLC-MS) method for comprehensive top-down/bottom-up lipid profiling. Anal Bioanal Chem. 402, 2923-2933 (2012).
- Sorensen, C. M., et al. Perturbations in the lipid profile of individuals with newly diagnosed type 1 diabetes mellitus: Lipidomics analysis of a Diabetes Antibody Standardization Program sample subset. Clin Biochem. 43, 948-956 (2010).
- Diamond, D. L., et al. Temporal proteome and lipidome profiles reveal hepatitis C virus-associated reprogramming of hepatocellular metabolism and bioenergetics. PLoS Pathog. 6, e1000719 (2010).
- Alquier, T., et al. Deletion of GPR40 impairs glucose-induced insulin secretion in vivo in mice without affecting intracellular fuel metabolism in islets. Diabetes. 58, 2607-2615 (2009).
- Ding, J., et al. Application of the accurate mass and time tag approach in studies of the human blood lipidome. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 871, 243-252 (2008).
- Rasmussen, A. L., et al. Systems virology identifies a mitochondrial fatty acid oxidation enzyme, dodecenoyl coenzyme A delta isomerase, required for hepatitis C virus replication and likely pathogenesis. J Virol. 85, 11646-11654 (2011).
- Manza, L. L., Stamer, S. L., Ham, A. J., Codreanu, S. G., Liebler, D. C. Sample preparation and digestion for proteomic analyses using spin filters. Proteomics. 5, 1742-1745 (2005).
- Wisniewski, J. R., Zougman, A., Nagaraj, N., Mann, M. Universal sample preparation method for proteome analysis. Nat Methods. 6, 359-362 (2009).
- Zhou, J. Y., et al. Simple sodium dodecyl sulfate-assisted sample preparation method for LC-MS-based proteomics applications. Anal Chem. 84, 2862-2867 (2012).
- Anderson, J. C., et al. Decreased abundance of type III secretion system-inducing signals in Arabidopsis mkp1 enhances resistance against Pseudomonas syringae. Proc Natl Acad Sci U S A. 111, 6846-6851 (2014).
- Chourey, K., et al. Direct cellular lysis/protein extraction protocol for soil metaproteomics. J Proteome Res. 9, 6615-6622 (2010).
- Kim, S., Gupta, N., Pevzner, P. A. Spectral probabilities and generating functions of tandem mass spectra: a strike against decoy databases. J Proteome Res. 7, 3354-3363 (2008).
- Kim, S., Pevzner, P. A. MS-GF+ makes progress towards a universal database search tool for proteomics. Nat Commun. 5, 5277 (2014).
- Cole, J. K., et al. Phototrophic biofilm assembly in microbial-mat-derived unicyanobacterial consortia: Model systems for the study of autotroph-heterotroph interactions. Front Microbiol. 5, (2014).
- Isaacson, T., et al. Sample extraction techniques for enhanced proteomic analysis of plant tissues. Nat Protoc. 1, 769-774 (2006).
