Préparation de champignons et de matières végétales pour l’élucidation de la structure dynamique de polarisation nucléaire RMN à l’état solide

Summary

Un protocole pour la préparation de ¹³C,¹⁵échantillons fongiques et plantes marquées N pour la spectroscopie RMN à l’état solide multidimensionnelle et enquêtes de polarisation nucléaire dynamique (DNP) est présenté.

Abstract

Ce protocole montre comment uniformément ¹³C, ¹⁵N-étiqueté fongiques matériaux peuvent être produites et comment ces matériaux souples devrait être traitée pour la RMN à l’état solide et DNP sensibilité améliorée des expériences. La procédure de traitement des échantillons de la biomasse végétale est aussi détaillée. Cette méthode permet la mesure d’une série de 1D et 2D ¹³C –¹³C /¹⁵N des spectres de corrélations, qui permet l’élucidation de la structure à haute résolution des biomatériaux complexes dans leur état natif, avec une perturbation minimale. Le marquage isotopique peut être examiné en quantifiant l’intensité dans les spectres de 1D et l’efficacité de transfert de polarisation dans les spectres de corrélation 2D. Le succès de la préparation d’échantillons de polarisation nucléaire dynamique (DNP) peut être évalué par le facteur de mise en valeur de sensibilité. D’autres expériences examinant les aspects structurels des polysaccharides et protéines conduira à un modèle de l’architecture en trois dimensions. Ces méthodes peuvent être modifiés et adaptés afin d’étudier un large éventail de matériaux riches en glucides, y compris les parois naturelles des plantes, des champignons, des algues et des bactéries, ainsi que de synthèse ou conçu de polymères glucidiques et leur complexe avec d’autres molécules.

Introduction

Glucides jouent un rôle central dans divers processus biologiques tels que le stockage de l’énergie, renforcement structurel et reconnaissance cellulaire et adhérence. Ils sont enrichis dans la paroi cellulaire, qui est une composante fondamentale dans les plantes, les champignons, les algues et les bactéries^1,2,3. La paroi cellulaire est une source centrale pour la production de biocarburants et de biomatériaux, mais aussi une cible prometteuse pour des thérapies antimicrobiennes^{4,5,6,7,8 , 9}.

La compréhension contemporaine de ces matériaux complexes a été considérablement avancée par des décennies d’efforts qui ont été consacrées à la caractérisation à l’aide de quatre méthodes biochimiques ou génétiques importants. La première méthode majeure s’appuie sur des traitements séquentiels à l’aide de produits chimiques agressifs ou enzymes pour briser les parois cellulaires en différentes portions, qui est suivie par la composition et l’analyse de liaison de sucres dans chaque fraction de¹⁰. Cette méthode apporte un éclairage sur la répartition du domaine des polymères, mais l’interprétation peut prêter à confusion en raison des propriétés chimiques et physiques des biomolécules. Par exemple, il est difficile de déterminer si la fraction extractible à l’alcali provient d’un domaine unique de molécules moins structurées ou de molécules séparées dans l’espace avec la solubilité comparable. Deuxièmement, les parties extraites ou toute les parois cellulaires peut également être mesurées à l’aide de solution NMR pour déterminer les liaisons covalentes, aussi appelées réticulation, entre les différentes molécules^{11,12,13, 14,},¹⁵. De cette façon, la structure détaillée des ancres covalentes peut être sondée, mais limites peuvent exister en raison de la faible solubilité de polysaccharides, le relativement petit nombre de sites de réticulation et l’ignorance des effets non covalentes qui stabilise emballage de polysaccharide, y compris la liaison hydrogène, interaction électrostatique et force de van der Waals, enchevêtrement de polymère. Troisièmement, l’affinité de liaison a été déterminée in vitro à l’aide de polysaccharides isolées^16,17,18,19, mais la purification procédures peuvent modifier considérablement la structure et les propriétés de ces biomolécules. Cette méthode échoue aussi à reproduire la déposition sophistiquée et l’assemblage des macromolécules après la biosynthèse. Enfin, le phénotype, de la morphologie cellulaire et de propriétés mécaniques des mutants génétiques dont la production atténuée certain composant de la paroi cellulaire hangar lumières sur les fonctions structurelles des polysaccharides, mais les preuves moléculaires plus est nécessaire pour combler ces observations macroscopiques avec la fonction ingénierie des protéines machineries²⁰.

Les progrès récents dans l’élaboration et l’application de la spectroscopie RMN à l’état solide multidimensionnelle ont introduit une occasion unique pour résoudre ces casse-tête structurel. Expériences de RMN à l’état solide 2D/3D permettent une enquête à haute résolution de la composition et l’architecture de matériaux riches en hydrates de carbone à l’état natif sans perturbation majeure. Des études structurales ont été menées avec succès à la fois primaire et parois secondaires des plantes, la biomasse catalytiquement traitée, biofilm bactérien, le pigment fantômes chez les champignons et récemment par les auteurs, les parois des cellules intactes dans un champignon pathogène Aspergillus fumigatus ^{21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31}. le développement de polarisation nucléaire dynamique (DNP)^{32,33,34,35,36,,}du^{3738 , 39 , 40 , 41 , 42} facilite considérablement l’élucidation de la structure NMR comme l’accroissement de la sensibilité par DNP nettement réduit le temps expérimental sur ces biomatériaux complexes. Le protocole décrit ici en détail les procédures de marquage isotopique du champignon a. fumigatus et préparation fongique et des échantillons de végétaux pour la caractérisation de DNP et RMN à l’état solide. Procédures d’étiquetage similaires devraient s’appliquer aux autres champignons avec milieu modifié, et les procédures de préparation d’échantillon devraient être généralement applicables aux autres biomatériaux riches en glucides.

Protocol

1. croissance de 13C, 15N-étiqueté Aspergillus fumigatus milieu liquide Préparation sans étiquette et 13C, milieu de croissance marquée N 15NOTE : Les moyen de levure Extract Peptone Dextrose (DPJ) et l’amélioration moyenne minime43 ont été utilisés pour l’entretien des cultures fongiques. Toutes les étapes après la stérilisation sont effectuées dans une hotte à flux laminaire pour minimiser la contamination….

Representative Results

L’isotope labeling sensiblement augmente la sensibilité de NMR et rend possible pour mesurer une série de 2D 13C -13C et spectres de corrélation15N 13C – d’analyser la composition, l’hydratation, la mobilité et de l’emballage de polymères, qui seront intégrés à construire un modèle tridimensionnel de l’architecture de la paroi cellulaire (Figure 1). Si l’étiquetage uniforme réussit, un ensembl…

Discussion

Comparé à des méthodes biochimiques, NMR à semi-conducteurs a des avantages comme une technique non destructive et haute résolution. RMN est également quantitative à l’analyse de la composition, et contrairement à la plupart des autres méthodes analytiques, ne fait pas ont les incertitudes introduites par la solubilité limitée de biopolymères. Mise en place du protocole actuel facilite les études futures sur les riches en glucides de biomatériaux et polymères fonctionnalisés. Toutefois, il est à noter …

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