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 Hebrew 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).
Metabolomics הסביבה היא תחום המתפתח כי הוא מקדם הבנה חדשה כיצד אורגניזמים להגיב ולתקשר עם הסביבה ועל זה ברמה הביוכימית 1. ספקטרוסקופיה מגנטית גרעינית (NMR) תהודה היא אחת מספר טכנולוגיות, כולל כרומטוגרפיה המוני גז ספקטרומטריית (GC-MS), עם הבטחה רבה מחקרים כאלה. היתרונות של התמ"ג הם כי הוא מתאים ניתוחים לא ממוקדים, מספק מידע מבניים ספקטרה ניתן שאילתה באופנים כמותיים וסטטיסטיים מול מסדי נתונים זמינים לאחרונה של ספקטרום המטבוליט הפרט 2,3. בנוסף, נתוני תמ"ג ספקטרליות ניתן לשלב עם נתונים אחרים (רמות omics transcriptomics למשל הגנומיקה) כדי לספק הבנה מקיפה יותר של התגובות הפיזיולוגיות של מינים זה לזה ולסביבה 4,5,6. עם זאת, התמ"ג הוא רגיש פחות טכניקות metabolomic אחרים, ולכן קשה APרובדי חיידקים למערכות הטבעיות שבה אוכלוסיות המדגם ניתן בריכוזים נמוכים, צפיפות המטבוליט נמוכה בהשוואה מטבוליטים של מוגדרים היטב ובנפש חפצה מקורות שניתן להפיק כגון רקמות, biofluids שלמים או תאים תרבויות. כתוצאה מכך, המחקרים המעטים ישיר metabolomic הסביבתיות של חיידקים שבוצעו עד כה היה מוגבל צפיפות גבוהה מערכות אקולוגיות התרבות מבוססות או להגדיר בקלות כמו מארח הסימביונט מערכות, שנבנו שיתוף תרבויות או מניפולציות של הסביבה שבה המעיים תיוג איזוטופ יציב יכול להיות בנוסף משמש כדי לשפר את אותות תמ"ג 7,8,9,10,11,12. שיטות להקל על ריכוז ואיסוף של מטבוליטים סביבתיים בריכוזים מתאימים NMR חסרים. מאז תשומת לב לאחרונה ניתנה על metabolomics הסביבתיות של אורגניזמים בתוך הסביבה המימית, שם הרבה זרימת האנרגיה והחומר מתווך על ידי הקהילה planktonic 13,14, פיתחנו שיטה הריכוזtion והפקת כולו הקהילה מטבוליטים של מערכות חיידקים planktonic על ידי סינון. זמינים מסחרית הידרופילי פולי-1 ,1-difluoroethene (PVDF) מסננים מטופלים במיוחד כדי להסיר לחלוטין extractables, אשר יכול אחרת המופיעים מזהמים ניתוחים שלאחר מכן. מסננים אלה שטופלו משמשות לאחר מכן כדי לסנן דגימות סביבתיות או ניסיוני של עניין. מסננים המכילים את החומר מדגם רטוב הם lyophilized ו מימית מסיסים מטבוליטים מופקים ישירות ספקטרוסקופית NMR קונבנציונאלי באמצעות אשלגן זרחתי מיצוי מתוקנן חיץ 2. הנתונים המופקים בשיטות אלו ניתן לנתח סטטיסטית לזהות תבניות בעלות משמעות, או משולב עם רמות omics אחרים הבנה מקיפה של הקהילה ותפקוד המערכת האקולוגית.
1. הכנה מסנן להסיר extractables
2. סינון של חומר דגימה
3. הפקת מימית מסיסים מטבוליטים
4. NMR ספקטרוסקופיה וניתוח נתונים
5. נציג תוצאות
דוגמה 1 ספקטרום NMR H המתקבל באמצעות השיטות הנ"ל מוצגים באיור 1. דוגמאות אלה, משתי נקודות זמן הניסוי מיקרוקוסמוס מראים הבדלים ברורים בשל פעילות מטבולית אצות. קשת יום 4 מציג שפע רב של פסגות, במיוחד בטווח 3-4 עמודים לדקה לעומת המדגם 1 יום. פסגות אלה ניתן לייחס סוכרים המיוצר על ידי פורח הצורניות בתוך המיקרוקוסמוס. בניסוי דומה להשוות את הצמיחה של טבע הקהילות הפלנקטון במי ים מלאכותיים או טבעיים, שיטות סטטיסטיות שלuch כמו העלילה העיקרי ניתוח מרכיבים ציון (PCA) נגזר ספקטרום NMR זרקת לפח ניתן להשתמש כדי להראות הבדלים מטבוליים ברורים בין שני הטיפולים (איור 2), ואילו מגרשים טעינת ניתן לזהות פסגות בתוך הספקטרום כי צורת ההפצה של הנתונים . תוצאות אלה ניתן להשוות את נתוני רמות omics אחרות, כגון טביעות אצבעות משיטות גנומית (איור 3). פסגות אלה תמ"ג ניתן שאילתה בנפרד (למשל על BMRB; http://www.bmrb.wisc.edu/ ) 19, או כל ספקטרום ניתן לנתח סטטיסטית (למשל עם SpinAssign ב http://prime.psc.riken. jp /? פעולה = nmr_search ) 2. בדוגמה זו, ההבדלים בין הטיפולים היו בשל שפע של פסגות באזור סוכרים (3.39 ppm ל 4.04 ppm) של ספקטרום מן הטבע מטבוליטים פלנקטון הקהילה, ואת פסגות כמה אופייני לקהילות מי ים מלאכותיים היו בהיסוס IDEntified כמו חומצת חלב ו formate באמצעות SpinAssign.

באיור 1. נציג 1 H ספקטרום NMR המתקבל דגימות מעובד באמצעות הליך זה. דגימות נלקחו לפני מיקרוקוסמוס (יום 1) ובמהלך בלום (יום 4) diatom אינטנסיבי. הניסויים בוצעו על תמ"ג Bruker DRX-500 עם אותות מנורמל לגובה שיא פנימי סטנדרטי (DSS: 0 ppm).

איור 2. ניתוח מרכיבים ראשיים (PCA) ציון על העלילה של ספקטרום NMR זרקת לפח מ metabolomes של טבעי המופק planktonic קהילות חיידקים הגדלים מיקרוקוסמוס עם טבעי (ללא יהלומים) פתוחים או מי ים מלאכותיים (עיגולים שחורים). הבדלים מטבוליים ברורים ניתן לצפות scatterplot. העלילה טוען מניתוח כזה יכול לשמש כדי לזהות שיאים שונים של חשיבותהמערכת; פסגות אלו ניתן לנתח נוספת לפי הצורך.

איור 3. דוגמה ניתוח רב omics שילוב NMR עם הנתונים הגנומי. הרכב הקהילה מבוסס על אלקטרופורזה denaturing צבע ג'ל של 18s (משמאל) 16S (מימין) גנים rRNA מן דגימות אותו כפי שנותחו איור 2 מראה גם חיידקים שונים בקהילה (בין דפוסי יהלומים) פתוחים טבעיים ומלאכותיים (עיגולים שחורים) מיקרוקוסמוס מי ים. התכתבות כזו בין metabolome ו הגנום של מערכות טבעיות ממחיש את התועלת של גישה זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
שיטת סינון המטבוליט החילוץ הפגינו כאן מאפשר ביומסה planktonic חיידקים כדי לאסוף כמות מספקת metabolomics תמ"ג. תוך מיצוי רק מימית מסיסים מטבוליטים באמצעות KPI ו 1D 1 H NMR באה לידי ביטוי, מיצוי בממסים אחרים וגישות ספקטרוסקופיות ניתן להשתמש. דוגמה שימושית הוא השימוש מתנול deuterated כמו חצי הקוטב ממס, אשר הוכח לייצר ספקטרום NMR מעולה מדגימות הטרוגניות והוא פחות רגיש לזיהום על ידי יוני פאראמגנטיים כפי נמצאים דגימות ימיים 15. במקרים כאלה, גלולה של מיצוי לעיל יש לשמור על עקירות ברציפות. העבודה הקודמת שלנו הוכיח את היציבות של ספקטרום תחת פעמים דגירה כאלה וטמפרטורות ואת התאמתו להפקת מימית ישירה NMR ספקטרוסקופיה 15,20. עם זאת החוקרים גם מעדיפים לשנות צעדים חילוץ, למשל באמצעות דינהצעד טיורינג להשבית אנזימים לפני החילוץ, או באמצעות מרווה מהירה שיטות השונים פשוט הקפאת תאים כפי שמוצג כאן. בנוסף, בעוד השיטות שהוצגו כאן הם המתאימים ביותר לצפייה שינויים מידתיים של מטבוליטים על פני טיפולים, אם רוצים, מסננים ניתן מראש שקל ולאחר מכן שקלו שוב לאחר סינון מדגם lyophilization להשיג משקל יבש, או את עוצמת הקול של מדגם יכול להיות מסוננים על מנת להשיג יותר כמותיים נתוני המקור המטבוליט.
בסופו של דבר, התועלת של NMR עבור דגימות planktonic מוגבל על ידי כמות המסה כי ניתן לאסוף בהצלחה, אפילו צפיפות גבוהה תרבויות עשויה לדרוש כמויות גדולות (> 100 מ"ל) להשיג ביומסה יבשה מספיק. עם זאת, בתוך תיוג ניסיוני, במסגרת איזוטופ יציב בניסויים מיקרו או mesocosm, 2 ד 1 H-13-C heteronuclear יחיד הקוונטים קוהרנטיות (HSQC) גישות אפשריות. יתר על כן, השתמשנו בנוסף 47 -מסננים מ"מ ו 5 מ"ל צינורות פוליפרופילן כדי להגדיל את כמות ביומסה כי ניתן לאסוף למיצוי, כמו גם כמויות גדולות יותר ייתכן שיהיה צורך (כלומר> 2 L) עבור קהילות טבעיים, מים oligotrophic למשל שבו צפיפות התא הוא נמוך.
סינון יש יתרון על פני צנטריפוגה כפי שהוא התצפית שלנו שכמה מינים של חיידקים קטן יותר (חיידקים heterotrophic קטנים במיוחד) בדרך כלל לא גלולה היטב. הסינון יכול להתבצע באופן ידני בשטח, וכן אמצעי האחסון מסוננים מוגבלים רק במספר מסננים זמינים. בנוסף, התקשורת או עודף מים ניתן להסיר באופן זה, את הדוגמאות ניתן לשטוף אם יש צורך. כמובן, גם עם סינון, הקהילה שנאסף יהיה מוגבל חלק בגודל עד הפסקת מסנן, אשר בדוגמה זו הוא 0.22 מיקרומטר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
אין ניגוד עניינים הצהיר.
מחקר זה נתמך בחלקו על ידי מענקים, סיוע, למחקר מדעי על מאתגר מחקר גישוש (JK), ומחקר מדעי (A) (ג'יי קיי ו SM) של משרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע, טכנולוגיה, יפן . FPR RIKEN המילגה (RCE) מספקת תמיכה נוספת. המחברים מביעים את תודתם בני הזוג. Eisuke Chikayama, Yasuyo Sekiyama ו מאמי אוקמוטו לקבלת סיוע טכני עם NMR וניתוחים סטטיסטיים.
| 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 |