在这里,我们提出了快速筛选和表征酶抗菌活性的方案。微玻片扩散测定和染料释放测定利用靶细菌底物进行定性和定量酶活性评估。
方法文章
在这里,我们提出了快速筛选和表征酶抗菌活性的方案。微玻片扩散测定和染料释放测定利用靶细菌底物进行定性和定量酶活性评估。
对新型抗菌蛋白潜在生产者的大型微生物库进行初步评估时,需要定性和定量方法,在投入更多的研究工作和资源之前筛选目标酶。该协议的目标是展示用于进行这些初步评估的两种互补测定。微玻片扩散测定提供了初始或简单的检测筛选,以便能够对一系列活细菌和热灭活细菌靶底物的蛋白水解活性进行定性和快速评估。作为对应物,染料释放测定的灵敏度和重现性增加为评估和比较影响蛋白质抗菌剂水解活性的环境影响提供了一个定量平台。使用 Remazol 亮蓝 R 染料标记特定热灭活细胞培养底物的能力扩展了这种能力,以定制染料释放测定以表征目标酶活性。
抗菌剂在靶向病毒、真菌和细菌等多种微生物方面发挥着至关重要的作用。各种细菌产生的抗菌活性在靶标特异性方面从广谱到物种特异性不等,包括临床相关的细菌病原体 1。在自然界中,细菌素和赖氨酸等蛋白质抗菌化合物代表了用于自我防御、复制和营养获取的微生物工具库 2,3。作为微生物群落中种群动态的介质,蛋白质抗菌剂为生产生物体提供了优于非生产性敏感物种的竞争优势 4。作为重组酶和益生菌,这些蛋白质也具有经济和社会重要性,因为随着细菌种群中抗菌素耐药性的每一次新扩展,对新的病原体控制来源的需求都会增加 5。
对新发现的蛋白质抗菌剂的首次评估包括确定酶固有的基本物理特性。快速筛选潜在抗菌剂的方法允许选择对所需目标底物具有水解活性的候选药物。微玻片扩散测定和定量染料释放测定允许在酶水解检测中使用各种底物。对于对细菌细胞壁具有活性的蛋白质抗菌酶,这些测定的多功能性允许对活细菌细胞进行快速有效的定性和定量筛选(仅限微玻片测定)、热灭活的全细菌细胞底物或从目标细菌中纯化的肽聚糖。这些检测可用于抗菌酶发现,用于替代疗法、食品补充剂和生物膜生成抑制剂等领域。
微玻片扩散测定和染料释放测定是检测和表征新型蛋白质抗菌剂的成熟方法。微玻片扩散测定提供了抗菌活性的相对(定性)估计,并允许对酶浓度和活性进行最低限度的推断。使用这种方法,活性很容易可视化为裂解区的发展,而没有活性导致缺乏区形成。区发展速率和区直径表示样品中存在的酶的数量和纯度;然而,该速率和区域内底物透明化的质量也会受到污染物的存在、水解反应的完整性和底物类型的影响。干扰污染物会影响酶从孔中扩散的速率,而不完全水解或底物类型的变化会导致裂解区浑浊 6。
染料释放测定定量评估从酶水解底物释放到反应上清液中的共价连接的 Remazol 亮蓝 R 染料产物的量。该方法仅具有与底物差异相关的轻微变异性,因此与微玻片扩散测定相比,检测水解的灵敏度更高。这些特性使该方法可用于表征酶的生化特性和标准化分析以比较不同抗菌酶。
在该协议中,我们提供了进行基本微玻片扩散测定和染料释放测定的方法,同时展示了每种检测限的规模和可变性。这些分析用于对从未表征的土壤细菌分离物的培养上清液中纯化的未知蛋白质抗菌剂进行基本评估。在测定中观察到的针对细菌细胞底物的活性允许比较先前未表征的蛋白质抗菌剂和 α-胰凝乳蛋白酶(一种对照蛋白水解酶)之间的反应活性。这些协议为这两种技术的应用提供了基础,这两种技术可以扩展和修改以适应不同的应用。
1.细菌和肽基片的制备
注意:全细胞细菌底物和纯化的肽聚糖被用作在这两个的MicroSlide扩散法和染料释放测定酶的底物。这些基板需要之前在进行酶反应制备。以下方案描述了它们的制备方法。
2.定性的MicroSlide扩散分析[从Lachica改性等人 11]
注意:的MicroSlide扩散测定法是用于检测样品中的抗微生物酶的存在的定性方法。作为酶扩散通过琼脂糖含有矩阵基板,结算的区域发展作为酶水解的底物。以下方案描述了的MicroSlide扩散测定法的用于定性检测蛋白质抗微生物剂的存在下制备和性能。
3.基材标识-雷马素马斯亮蓝R染料标记[从周12加减]
注意:在染料释放测定中,底物是共价林克d可雷马素艳蓝色R染料。以下方案描述了染色酶底物的制备。
4.定量染料释放试验
注意:在染料释放测定,RBB染色基板的在染色产品进入反应上清液中的酶反应释放的水解。释放的染料的量的比色测定表示摩UNT样品对于给定的酶中存在的酶活性。定量方法允许跨基材不同的酶的比较,并允许对影响酶反应( 如 ,温度,盐度和pH下)的环境条件的变化。以下方案描述了染料释放测定的定量检测的蛋白质抗微生物的酶活性的制备和性能。
该扩散的MicroSlide法和定量染料释放试验是用于筛选和测量的新的蛋白质抗菌药物,初步调查的有效方法。每个实验都有其优点和局限性;然而,在结合实施时,它们允许快速的初始筛选和抗微生物的基本特征。
该扩散的MicroSlide检测可以有效微生物库的快速筛选,生产抗菌蛋白。当酶浓度水平是令人关注的,检测的限制灵敏度可能会限制该测定,要求被加入到反应孔比染料释放测定酶的量更大。正如图1所示,测定的定性性质允许观察者进行比较在每个井本相对酶量。
图1A中所示的(25酶微克),该区域的前缘显示基板的混浊或不完全溶解,而最靠近孔的区显示一个更完整的基底裂解。这种现象,在前缘扩散酶的递减浓度的产物,该区域的直径的精确测量变得复杂。如在图1中观察到的孔B(15微克),C(10微克),D(5微克),E(1.0微克),和F(0.1微克),完全裂解的区的直径消散灭绝相关以酶的量减少。对于条件F(0.1微克),在琼脂糖内的酶浓度低于这将允许移动通过琼脂糖,水解基板而被可视化漫射酶限制。该扩散的MicroSlide测定也跑用纯化的枯草芽孢杆菌 peptidoglycan作为底物( 图2)。而该区域是比那些全细胞沙门氏菌观察较少定义由于肽聚糖的磁阻在琼脂糖均匀暂停,肽聚糖由未知的抗菌酶水解是显而易见的。
染料释放测定比的MicroSlide扩散分析更灵敏的和通用的测定法,允许影响酶反应环境因素检测下限和变化。中的代表性测定中,温度是变化的,以确定所述抗微生物酶的最佳温度,确定为35℃的PBS中( 图3)。这个最佳在反应上清液清楚地看到作为蓝色( 图3B),以及在从吸光度测量在595nm( 图3A)衍生的活性单位表示的量的增加。该染料释放测定的多功能性允许研究者变化不仅温度,而且在反应缓冲液和缓冲液组分,以迅速地确定对于给定的酶的最佳温育条件。
未知的抗菌酶( 图4)和α-糜蛋白酶控制酶( 图5)的活性水平是在35℃下在PBS中所确定的最佳培养温度对RBB标记枯草杆菌热灭活底物测定。从图4和图5的结果的比较表明,对未知的抗菌酶具有几乎两倍为B的亲和力枯草基板。此外,α胰凝乳蛋白酶的控制并没有完全消化热灭活B. (数据未显示)阱内枯草衬底。 α-糜蛋白酶控制的活动开始到板盟周围0.3微克相比,在活性单位持续上升的所有酶的量未知的抗菌酶( 图4和图5),为。这可能表明该未知酶具有更大的持续活性或有切割位点的提供给B内的酶的较大数目枯草基板。

图 1:抗 沙门氏菌 全细胞底物 酶活性的的MicroSlide扩散测定用于定性评价对热灭活肠道沙门氏菌亚种未知蛋白的抗微生物活性的肠道 (ATCC 10708)。悬浮于磷酸盐缓冲盐水(PBS)的未知的抗微生物加入到各孔中该蛋白质量幻灯片包含25微克(A井),15微克(井B),10微克(以及C),5微克(井D),1微克(以及E)和0.1微克(以及F)。单独PBS中用于测定的阴性对照。裂解区的6小时培养后成像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:酶活性抗 枯草杆菌 肽聚糖细胞壁被使用的的MicroSlide扩散分析来定性评估对枯草芽孢杆菌 168的肽聚糖的未知蛋白的抗微生物的活性。在20微升的PBS,未知抗菌剂10微克暂停加入一个良好的microslides的。单独PBS用作阴性控制试验(井B)。裂解的区域在37℃,6小时培养后成像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:最适反应温度为蛋白质抗菌染料释放测定的多功能性允许的物理和化学参数,例如培养温度和缓冲液的变化,以确定在感兴趣6的酶的活性的影响。如该图所示,未知蛋白的抗微生物(1微克)的活性在PBS下的范围内孵化温度的评价针对RBB标记热灭活枯草杆菌 。显示为活动单位(AU)的(A),RBB-B的吸收ound水解使用微板分光光度计在595nm处测量后的产品释放到上清液中。在各温度条件下,与没有添加酶反应被用来减去源于孵育在各种温度下的任何释放的染料的影响。对应于每个孵化温度,反应上清之前测定吸光度(B)的成像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:对于蛋白质活性范围抗菌未知蛋白的抗微生物活性范围是为0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,以及1000纳克过夜孵育后测得的活性单位如通过BCA PROT测EIN测定(A)。对于这些反应中,RBB标记B.枯草衬底水平升高在595nm得到的5.0的光密度,以确保与酶(1000纳克)的最高量,反应并不完全水解的反应潜伏期内的所有可用的衬底。与没有添加酶的对照反应被用来减去引起单独孵育任何释放的染料的影响。对应于每个酶用量,反应上清之前测量吸光度(B)的成像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:对α胰凝乳蛋白酶的活性范围为α胰凝乳蛋白酶活性范围测量为ACTIV性单位过夜孵化后0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000纳克酶(A)的。对于这些反应中,RBB标记B.枯草衬底水平升高在595nm得到的5.0的光密度,以确保与酶(1000纳克)的最高量,反应并不完全水解的反应潜伏期内的所有可用的衬底。与没有添加酶的对照反应被用来减去引起单独孵育任何释放的染料的影响。对应于每个酶用量,反应上清之前测量吸光度(B)的成像。 请点击此处查看该图的放大版本。
该扩散的MicroSlide法和染料释放法检测和鉴定以前未知的蛋白质抗菌药物提供的优势。这些快速和灵敏的方法允许之前投入更大研究资源感兴趣的酶的鉴定有机体源库的高通量筛选。作为高调靶酶被识别,检测分析的变化可以用来快速检测酶或确定酶的生化特性。例如,一个多蛋白质纯化方案中,所述的MicroSlide扩散分析能够快速检测含有目的酶的级分。另外,对于酶反应最适可通过改变反应缓冲液和培养温度在染料释放测定法来确定。
用于检测在所述的MicroSlide扩散分析所需的酶物质的范围是酶characteri的函数STICS。该测定的检测限制一般要求使用较多量的酶比染料释放测定的。在这项研究中,所述的MicroSlide扩散分析( 图1)的染料释放测定( 图4)的检测限的比较示出,该的MicroSlide扩散试验比染料释放测定较不敏感的技术。当酶浓度不是一个问题,该法的MicroSlide允许用于生产抗菌蛋白对低劳动力和设备的需求目标底物文库的快速初步筛选。尽管需要更多的努力和设备,该染料释放测定法更灵敏,可重复的,得到定量结果,允许对于给定的基片相同或不同的酶的染料释放测定的比较。这两种方法都容易在大多数微生物实验室,无需高度专业化的仪器进行的。在的代理问题略去测定法,对照酶,α胰凝乳蛋白酶,在量低至使用的染料释放测定100纳克( 图5)检测到的,而在的MicroSlide扩散分析检测出的最小的量为1微克(数据未示出)。
提供了可用作抗菌酶定性检测测定,一些扩散试验的变体已经报道11,13。在审查这些试验中,扩散的MicroSlide测定其相对较高的灵敏度作为初始屏幕,因为它容易反应遵守的开发。从Lachica 等人 11的工作,其中的琼脂糖覆盖被用于由金黄色葡萄球菌的菌株以检测生产核酸的修饰,所述的MicroSlide扩散试验的操作类似于径向免疫扩散法14作为蛋白质从井扩散到琼脂糖含有底物。径向immunodiffu当系统达到琼脂糖内漫射抗原和抗体之间的复合物形成的平衡锡永方法停止免疫沉淀的区的扩展。与此相反,的MicroSlide扩散分析的衬底最初由漫射蛋白抗微生物在包围井裂解的不断扩大区消化。区域的增大的直径继续,直到酶失去活性或衬底被耗尽。生产裂解的区的速率加快作为纯度,因而比活性,酶的或加入到孔中增加酶的浓度。
用于定量评估蛋白质抗微生物剂的抗热灭活B的酶活性枯草芽孢杆菌 ,被选择的染料释放测定。使用雷马素马斯亮蓝R染料(RBB)比色法标记的底物会使蛋白质抗菌活性状况的通用性和敏感性评价TY。 RBB标记的底物的结果中,可以用分光光度计在595nm处容易地测得的可溶性蓝色产品释放的酶水解。的RBB染料释放测定的几个变型中,开发了以表征其他蛋白质的抗菌酶,表明此测定应用与其它基材的灵活性。例如,在确定溶葡球菌酶溶菌活性的影响,周等人 ,报告了使用RBB-染色葡萄球菌细胞和葡萄球菌肽聚糖作为底12的染料释放测定。在此RBB染料释放测定的应用的变型,RBB标记藤黄微球菌衬底提出用作一个快速和灵敏的方法来诊断和筛选的疾病例如细菌感染和恶性肿瘤的存在,它可以在血液血清15相关,以人溶菌酶表达水平。此外,RBB标记细菌细胞衬底具有一个LSO在用于检测溶菌酶16的酶谱法中使用。
我们证明降低的检出限,方便和染料释放测定的再现性,从而允许快速文库筛选产酶。该测定的修饰允许下游定量生化表征测定法,包括温度,pH值,和盐度的影响以及对抗微生物蛋白6的活性的其它蛋白水解酶的影响。此外,定量的染料释放测定可用于多种酶的活性比较对于给定的衬底上。的RBB染料释放测定已报道用抗除表征和蛋白的抗微生物剂检测的多糖酶活性效用。卡尔 - 佩特森和埃里克森报告使用纤维素,木聚糖,甘露聚糖,以及保单的无定形,RBB染色多糖珠子检测内聚糖酶的活性的测定17。在这些研究结果的扩展,用于检测由苏云金芽孢杆菌的Bt-107产生的几丁质酶的酶的一个灵敏的方法使用标记的RBB 18胶体几丁质被开发。从这些和其他研究,RBB染色基板的市售来源已经出现在检测糖酵解活性,包括对角蛋白,支链淀粉,直链淀粉,糖原,海带多糖,D-木聚糖,偶氮大麦葡聚糖和淀粉的用途。
在这项研究中,我们证明在微量格式的染料释放测定的效用,降低以产生比色结果所需RBB标记的底物和酶的体积。如在图4和图5所示,该微板染料释放测定提供了比酶活性检测的MicroSlide扩散分析检测下限。对于快速的使用,节约劳动力,以及便于解释,麦克风roslide扩散分析提供了抗微生物活性的存在,以及抗微生物蛋白存在的下游蛋白质的分离和纯化步骤的指示初始的高通量筛选效用。这两项试验的组合,新的蛋白质抗菌药物初步筛选,并最终鉴定相得益彰
作者宣称,他们没有竞争的经济利益。 MITRE公司是一个不以营利为目的的公司,经营多个联邦政府资助的研究和开发中心(FFRDCs)。
这项工作由 MITRE Corporation 通过 MITRE 创新计划(项目 25MSR621-CA)资助。作者要感谢 Mark Maybury 博士、Richard Games 博士、James Patton、Ellen Mac Garrigle 博士、Carl Picconatto 博士和 Caroline Gary 对这项工作的支持和审查。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带低蒸发盖的 48 孔平底微孔板 | Becton Dickinson | 3078 | |
| 96 孔平底微孔板 (Costar 3595) | Corning, Inc. | 3595 | |
| 琼脂糖 | Fisher Scientific | BP162-100 | |
| &α;-胰凝乳蛋白酶 | MP 生物医学 215227205 | ||
| 枯草芽孢杆菌 168 | 美国典型培养物保藏中心 | 23857 | |
| C1000 Touch 热循环仪 | Bio-Rad | ||
| 软木钻孔器 | Humboldt | H-9661 | |
| 溶菌酶 | Sigma-Aldrich | L6876-1G | |
| McFarland 等效标准品 (2.0) | Fisher Scientific | R20412 | |
| 微载玻片 | Fisher Scientific | 22-38-103 | |
| 营养肉汤 | Fisher Scientific | S25959B | |
| 枯草芽孢杆菌肽聚糖 168 | Sigma-Aldrich | 69554-10MG-F | |
| 磷酸盐缓冲盐水 (1x) | Teknova | P0200 | |
| Pierce BCA 蛋白检测试剂盒 | Life Technologies | 23227 | |
| Synergy HT 微孔板分光光度计 | BioTek Instruments, Inc. | ||
| Remazol 亮蓝 R 染料 (RBB) | Sigma-Aldrich | R8001 | |
| 肠道沙门氏菌亚种 | 美国典型培养物保藏中心 | 10708 | |
| 叠氮化钠 | Fisher Scientific | S227-100 | |
| 氢氧化钠 (NaOH) | Fisher Scientific | S318-500 | |
| Titer Tops 预切割粘合聚乙烯薄膜 | 多元化生物技术 | T-TOPS-50 | |
| 超纯蒸馏水 | Invitrogen | 10977-015 | |
| 名称 | 公司 | 目录号< | strong>评论 |
| Solution | |||
| 琼脂糖溶液 50 ml PBS 0.25 g 琼脂糖 | 将 10% 叠氮化钠加入熔融的 PBS/琼脂糖溶液 | ||
| 营养肉汤培养基 4 g 营养肉汤 500 ml I 型水 | |||
| 250 mM 氢氧化钠 (NaOH) 溶液 1 g NaOH 99 ml I 型水 | |||
| 200 mM Remazol 亮蓝 R 染料 (RBB) 1.25 g RBB 98.75 ml 250 mM NaOH 溶液 |
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可