The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Arabic was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Biosphere Oriented Biology Research Unit, RIKEN Advanced Science Institute, 2Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University, 3Advanced NMR Metabomics Research Team, RIKEN Plant Science Center, 4Graduate School of Bioagricultural Science, Nagoya University
This article is a part of JoVE General. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.
Recommend JoVE to Your LibrarianCurrent Access Through Your IP Address
Current Access Through Your Registered Email Address
Everroad, R. C., Yoshida, S., Tsuboi, Y., Date, Y., Kikuchi, J., Moriya, S. Concentration of Metabolites from Low-density Planktonic Communities for Environmental Metabolomics using Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. J. Vis. Exp. (62), e3163, doi:10.3791/3163 (2012).
الايض البيئية هو حقل الناشئة التي تروج فهما جديدا في كيفية الرد على الكائنات الحية والتفاعل مع البيئة وغيرها كل على الصعيد البيوكيميائية 1. الرنين المغناطيسي النووي (الرنين المغناطيسي) الطيفي هي واحدة من عدة تكنولوجيات، بما في ذلك الغاز اللوني الكتلة الطيفي (GC-MS)، مع وعد كبير لمثل هذه الدراسات. مزايا الرنين المغناطيسي هي أنه لا يصلح لتحاليل غير مستهدفة، وتوفر المعلومات الهيكلية، ويمكن الاستعلام عن الأطياف في الأدب الكمية والإحصائية ضد قواعد البيانات المتوفرة مؤخرا من أطياف المستقلب 2،3 فرد. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الجمع بين البيانات الرنين المغناطيسي الطيفي مع البيانات من مستويات omics الأخرى (على سبيل المثال transcriptomics، وعلم الجينوم) لتوفير فهم أكثر شمولا من الاستجابات الفسيولوجية من الأنواع لبعضها البعض والبيئة 4،5،6. ومع ذلك، الرنين المغناطيسي النووي هو أقل حساسية من تقنيات metabolomic الأخرى، مما يجعل من الصعب ا ف برقائق لأنظمة الميكروبية الطبيعية حيث السكان عينة يمكن أن يكون تركيز منخفض الكثافة ومنخفض مقارنة المستقلب إلى الأيضات من يعرف جيدا و. مصادر استخراجها بسهولة مثل الأنسجة كله، biofluids أو خلية ثقافات وبناء على ذلك، واقتصرت على بعض الدراسات البيئية المباشرة metabolomic من الميكروبات القيام بها لتاريخ النظم الإيكولوجية ذات الكثافة العالية القائمة على الثقافة أو المعرفة بسهولة مثل المضيف المتكافل النظم، وشارك في بناء ثقافات أو التلاعب في بيئة القناة الهضمية حيث وضع العلامات النظائر المستقرة يمكن أن يكون وبالإضافة إلى ذلك تستخدم لتعزيز إشارات الرنين المغناطيسي النووي 7،8،9،10،11،12. الطرق التي تسهل التركيز وجمع من الأيضات البيئية بتركيزات مناسبة لالرنين المغناطيسي النووي تعاني من نقص. منذ تم إيلاء اهتمام الأخيرة إلى الايض البيئية للكائنات الحية في البيئة المائية، حيث توسطت كثيرا من تدفق الطاقة والمواد من قبل المجتمع العوالق 13،14، وقد طورنا طريقة لتركيزاتنشوئها واستخراج كامل المجتمع الأيضات من النظم الميكروبية العوالق عن طريق الترشيح. يتم التعامل مع خصيصا المتاحة تجاريا ماء بولي-1 ،1-difluoroethene (PVDF) مرشحات لإزالة تماما extractables، التي يمكن أن تظهر إلا في شكل ملوثات في تحليلات لاحقة. ثم يتم استخدام هذه الفلاتر لتصفية تعامل العينات البيئية أو التجريبية من الفائدة. المرشحات التي تحتوي على مادة العينة الرطبة هي مجفف بالتجميد، ويتم استخراج مائي للذوبان في الأيضات مباشرة لطيف الرنين المغناطيسي النووي التقليدية باستخدام فوسفات البوتاسيوم موحدة العازلة استخراج 2. ويمكن تحليل البيانات المستمدة من هذه الأساليب الإحصائية لتحديد أنماط ذات معنى، أو دمجها مع مستويات omics أخرى لفهم شامل للمجتمع وظيفة النظام الإيكولوجي.
1. مرشح التحضير لإزالة Extractables
2. الترشيح للمواد عينة
3. استخراج مائي للذوبان في المستقلبات
4. الرنين المغناطيسي الطيفي وتحليل البيانات
5. ممثل النتائج
حصل على سبيل المثال من 1 أطياف الرنين المغناطيسي H باستخدام ترد الأساليب المذكورة أعلاه في الشكل 1. هذه العينات، من نقاط مرة اثنين من تجربة مصغرة تظهر اختلافات واضحة من جراء الأنشطة الأيضية الطحالب. اليوم 4 طيف يظهر وفرة كبيرة من القمم، ولا سيما في نطاق 3-4 جزء في المليون مقارنة مع عينة 1 يوم. ويمكن أن تعزى هذه القمم على السكريات التي تنتجها تزهر الدياتومات داخل مصغرا. في تجربة مماثلة بمقارنة نمو المجتمعات العوالق الطبيعية في مياه البحر مصطنعة أو طبيعية، والنهج الإحصائية Sويمكن استخدام اوك كما الرئيسي مؤامرة تحليل عنصر درجة (PCA) مشتقة من أطياف الرنين المغناطيسي النووي اهمال لاظهار الاختلافات التمثيل الغذائي واضح بين المعاملتين (الشكل 2)، في حين أن المؤامرات التحميل يمكن التعرف على قمم داخل الأطياف أن شكل توزيع البيانات . ويمكن مقارنة هذه النتائج مع بيانات من مستويات omics أخرى، مثل من طرق أخذ البصمات الجينية (الشكل 3). ويمكن الاستعلام عن هذه القمم الرنين المغناطيسي بشكل فردي (على سبيل المثال في BMRB؛ http://www.bmrb.wisc.edu/ ) 19، أو يمكن تحليلها إحصائيا الأطياف كامل (على سبيل المثال مع SpinAssign في http://prime.psc.riken. ج ب /؟ عمل = nmr_search ) 2. في هذا المثال، وكانت الخلافات بين العلاجات بسبب وفرة من القمم في المنطقة السكريات (3.39 جزء في المليون إلى 4،04 جزء في المليون) من أطياف المجتمع من الطبيعي الأيضات العوالق، وعدة قمم المميزة للمجتمعات مياه البحر الاصطناعي كان مؤقتا IDEntified كما اللاكتات وفورمات باستخدام SpinAssign.

الشكل 1. الممثل 1 أطياف الرنين المغناطيسي H تم الحصول عليها من العينات المصنعة باستخدام هذا الإجراء. وتم أخذ عينات مصغرة قبل (يوم 1) وخلال (يوم 4) وازهر المشطورة مكثفة. وأجريت تجارب الرنين المغناطيسي النووي على 500-DRX بروكر مع إشارات طبيعية لارتفاع مستوى الذروة الداخلية (مفاجآت صيف دبي، 0 جزء في المليون).

الشكل 2. المكون الرئيسي مؤامرة تحليل درجة (PCA) لأطياف الرنين المغناطيسي النووي اهمال من metabolomes من الطبيعي المستمدة من مجتمعات العوالق الجرثومية التي تزرع في عوالم مصغرة مع الطبيعية (الماس مفتوح) أو مياه البحر الاصطناعي (الدوائر السوداء). ويمكن ملاحظة الفروق الأيض واضحة في مخطط التشتت. ويمكن بعد ذلك تحميل مؤامرة من هذا التحليل يمكن استخدامها لتحديد قمم متميزة من أهمية فيالنظام، ويمكن هذه القمم لمزيد من التحليل حسب الحاجة.

الشكل 3. مثال متعددة omics تحليل الجمع بين الرنين المغناطيسي النووي مع بيانات الجينوم. تكوين مجتمع يقوم على تبديل طبيعة التدرج الكهربائي للهلام من 18S (يسار) و16S (يمين) الجينات الريباسي من العينات التي تم تحليلها في نفس ويبين الشكل 2 أيضا متميزة أنماط المجتمع الجرثومية بين (الماس مفتوح) الطبيعية والاصطناعية (الدوائر السوداء) عوالم مصغرة مياه البحر. هذه المراسلات بين metabolome والجينوم من النظم الطبيعية يدل على جدوى هذا النهج.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
طريقة استخراج الترشيح والمستقلب تظاهر هنا يسمح للالكتلة الحيوية الميكروبية العوالق التي سيتم جمعها في كمية كافية لالايض الرنين المغناطيسي النووي. في حين يتجلى فقط من استخراج مائي للذوبان في الأيضات باستخدام مؤشرات الأداء الرئيسية و1D 1 H NMR، يمكن استخدام المذيبات استخراج والنهج الأخرى الطيفية. مثال واحد من المفيد هو استخدام الميثانول deuterated كمذيب شبه القطبية، وهو ما ثبت لانتاج متفوق أطياف الرنين المغناطيسي النووي من عينات غير متجانسة وأقل حساسية للتلوث بواسطة أيونات ممغطس كما هي وجدت في عينات البحرية 15. في مثل هذه الحالات، ينبغي الابقاء على بيليه من استخراج فوق لإخراج المتعاقبة. وقد أظهرت عملنا السابقة استقرار الأطياف تحت حضانة هذه الأوقات ودرجات الحرارة ومدى ملاءمتها لاستخراج مائي مباشر لطيف الرنين المغناطيسي النووي 15،20. ومع ذلك، قد يفضل الباحثون أيضا إلى تعديل خطوات استخراج، على سبيل المثال باستخدام دناتورينج خطوة لتعطيل الإنزيمات قبل الاستخراج، أو عن طريق استخدام وسائل التبريد السريع التي تختلف عن تجميد ببساطة الخلايا كما هو موضح هنا. بالإضافة إلى ذلك، بينما هي الأنسب الأساليب المقدمة هنا لرصد التغيرات النسبية في الأيضات عبر العلاجات، إذا رغبت، ويمكن مرشحات مسبقا وزنه ومن ثم وزنه مرة أخرى بعد ترشيح عينة وlyophilization للحصول على الوزن الجاف، أو حجم العينة التي تمت تصفيتها يمكن أن يكون استخدامها للحصول على مزيد من البيانات الكمية مصدر المستقلب.
في النهاية، يتم تقييد فائدة الرنين المغناطيسي النووي لعينات العوالق، من خلال حجم الكتلة التي يمكن جمعها بنجاح، وحتى عالية الكثافة والثقافات قد تتطلب كميات كبيرة (> 100 مل) للحصول على الكتلة الحيوية الجافة كافية. ومع ذلك، ضمن الإطار التجريبي، ووضع العلامات النظائر مستقرة في التجارب الصغيرة أو mesocosm، 2D 1 H-13 C heteronuclear واحدة الكم التماسك (HSQC) النهج ممكنة. علاوة على ذلك، وقد استخدمنا وبالإضافة إلى ذلك 47 -قد المرشحات ملم وأنابيب البولي بروبلين 5 مل إلى زيادة كمية الكتلة الحيوية التي يمكن جمعها لاستخراج، وكميات أكبر من ذلك يكون من الضروري (على سبيل المثال> 2 ليتر) للمجتمعات الطبيعية من مياه oligotrophic على سبيل المثال حيث كثافة الخلية منخفضة.
الترشيح هو مفيد خلال الطرد المركزي كما هو ملاحظتنا أن بعض الأنواع أصغر الجراثيم (البكتيريا متغايرة صغيرة خاصة) غالبا ما لا بيليه أيضا. لا يمكن أن يؤديها الترشيح يدويا في هذا المجال، وتقتصر وحدات التخزين التي تمت تصفيتها فقط من قبل عدد من المرشحات المتاحة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إزالة الزائدة أو وسائل الإعلام المياه بهذه الطريقة، ويمكن أن تشطف العينات اذا لزم الامر. بالطبع، حتى مع الترشيح، سوف تقتصر على المجتمع التي تم جمعها إلى جزء صغير الحجم وصولا الى قطع مرشح، والتي في هذا المثال هو 0.22 ميكرون.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
وأيد هذا البحث في جزء من المنح التي تقدم للمساعدة للبحث العلمي للطعن البحوث الاستكشافية (كيه)، والبحث العلمي (A) (كيه و SM) من وزارة التربية والتعليم، الثقافة والرياضة والعلوم، والتكنولوجيا، واليابان . وقدم FPR بتبريد زمالة (RCE) دعم إضافي. الكتاب إعراب عن امتنانهم للالدكاترة. إيسوكي Chikayama، Yasuyo Sekiyama وأوكاموتو مامي لتقديم المساعدة التقنية مع الرنين المغناطيسي النووي والتحليلات الإحصائية.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.22 μm hydrophilic Durapore PVDF filters, 25 mm | EMD Millipore | GVWP02500 | |
| Microanalysis Filter Holder, 25 mm, fritted glass support | EMD Millipore | XX1002500 | |
| 3-place manifold, 47 mm, stainless steel | EMD Millipore | XX2504735 | |
| KH2PO4 | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 169-04245 | |
| K2HPO4 | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 164-04295 | |
| Deuterium oxide, 2H > 90% | Campridge Isotope Laboratoties | DLM-4 | |
| DSS | Fluka | 92754 | |
| Automill | Tokken | TK-AM4 | Stainless steel crushers included |
| Thermomixer comfort | Eppendorf | 5355 000.011 | |
| Bioruptor | Diagenode | UCD-200 | |
| Vacuum evaporator | EYELA | CVE-3100 | |
| NMR | Bruker Corporation | DRX-500 with 5 mm-TXI probe | |
| Spectral binning tool | Originally developed | FT2DB | https://database.riken.jp/ecomics/ |
| Metabolite annotation tool and database | Originally developed | SpinAssign | http://prime.psc.riken.jp/?action=nmr_search |