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Research Article
Steven J. Biller*1, María del Carmen Muñoz-Marín*2, Steeve Lima3,4,5, Jorge Matinha-Cardoso3,4, Paula Tamagnini3,4,6, Paulo Oliveira3,4,6
1Department of Biological Sciences,Wellesley College, 2Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, Campus de Excelencia Internacional, Agroalimentario,Universidad de Córdoba, 3i3S - Instituto de Investigação e Inovação em Saúde,Universidade do Porto, 4IBMC - Instituto de Biologia Molecular e Celular,Universidade do Porto, 5MCbiology Doctoral Program, ICBAS - Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar,Universidade do Porto, 6Departamento de Biologia, Faculdade de Ciências,Universidade do Porto
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
本方案为从蓝藻培养物中分离、浓缩和表征细胞外囊泡提供了详细的描述。还讨论了从不同尺度的培养物中纯化囊泡的方法,方法之间的权衡以及使用现场样品的注意事项。
蓝藻是一组多样化的光合革兰氏阴性细菌,在全球生态系统中发挥着关键作用,并作为重要的生物技术模型。最近的研究表明,海洋和淡水蓝藻都产生细胞外囊泡 - 从微生物外表面释放的小膜结合结构。虽然囊泡可能有助于多样化的生物过程,但它们在蓝藻生物学中的特定功能作用在很大程度上仍然是未知的。为了鼓励和推进该领域的研究,提出了用于分离,浓缩和纯化蓝藻细胞外囊泡的详细方案。目前的工作讨论了从 原绿球菌,Synechococcus和 Synechocystis的大培养物中成功分离出囊泡的方法。介绍了用于定量和表征这些菌株的囊泡样品的方法。还介绍了从水生田间样品中分离囊泡的方法。最后,还讨论了蓝藻囊泡纯化遇到的典型挑战,不同下游应用的方法学考虑因素以及方法之间的权衡。
细胞外囊泡(EV)是球形结构,直径在〜20-400nm之间,由几乎所有生物体释放到其周围环境1,2,3中。囊泡由脂质双层限定,不能自我复制。在革兰氏阴性细菌中,这些结构被认为主要是通过外膜的一小部分"漂白"产生的。尽管如此,其他过程,包括鞭毛运动,细胞裂解以及内膜和外膜材料的分泌,也可以产生囊泡以及4,5。EV可以含有各种生物分子,包括脂质,可溶性和膜蛋白,核酸和代谢物,并且可以在细胞4,5,6之间运输这种物质。鉴于这些特征,正在研究EV以了解它们在各种生物过程中的可能作用,包括细胞通讯,生物膜形成,水平基因转移,宿主 - 噬菌体动力学和营养交换4,6。
蓝藻是一大群多样化的革兰氏阴性菌,包括单细胞和丝状生物。从许多角度来看,它们都值得关注,包括了解它们的生理和多样性7,8,它们所服务的关键生态系统功能9,10,以及它们对生物技术的效用11,12。蓝藻存在于各种各样的栖息地中,要么是海洋,淡水和陆地环境中的自由生物,要么是与苔藓,蕨类植物,植物的共生关联,要么是地衣和海绵中的共生生物13。它们是水生生态系统中至关重要的主要生产者,通过含氧光合作用产生氧气和有机碳9,10,有些还能够固定大气中的氮7。海洋和淡水蓝藻,包括 原绿球菌, Synechococcus 和 Synechocystis, 在实验室条件下产生EV14,15,16,并且在自然环境中也可以找到蓝藻囊泡14,17。蓝藻囊泡的生物学和生态学功能尚不清楚,但该领域的进一步研究可能会为蓝藻生理学,分化,传播策略,进化和营养相互作用等问题提供新的见解。此外,蓝藻EV携带不同类别生物分子的能力可能具有商业应用18,19。
本方案描述了从蓝藻培养物和现场样品中分离和表征囊泡的方法,以便能够并鼓励对蓝藻细胞外囊泡生物学进行更广泛的检查。虽然这里描述的工作流程类似于从其他细菌中分离和表征EV的方案,但蓝藻培养物和现场样品通常含有比宿主相关或致病模型系统通常观察到的更低的细胞和囊泡浓度20,21,22。因此,对蓝藻EV的研究需要对培养和囊泡分离进行特殊考虑和优化,这在菌株和培养基背景之间进一步变化。由于没有一种方案适用于所有菌株,生长条件和下游应用,因此我们提供多种选择并讨论所涉及的权衡,以便研究人员可以确定最适合解决其实验问题的方法。
蓝藻菌株是从几个培养物集合中获得的(详见 讨论 )。
1. 蓝藻培养
2.从小颗粒(囊泡)部分分离蓝藻生物质
注意:首先,建议通过离心造粒细胞从上清液中分离细胞。然而,当培养体积太大而无法实现时,可以跳过离心,直接使用胶囊过滤(步骤2.4)过滤整个培养物。
3. 浓缩囊泡样品
4. 囊泡分离纯化
5. 分离囊泡的表征
6. 囊泡产率测量
图1概述了蓝藻囊泡分离过程,突出显示了此处描述的方案的关键方面。特别值得注意的是详细描述从小颗粒(囊泡)部分分离蓝藻生物质,浓缩囊泡样品以及囊泡分离和纯化的步骤(图1,步骤2至4),这对于获得可重复的囊泡制剂至关重要。图2显示了从蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中分离和表征细胞外囊泡的代表性结果。这种蓝藻的外膜已被证明含有类胡萝卜素31,其赋予通过超速离心直接造粒收集的囊泡样品的特征橙色(图2A)。一旦囊泡沉淀被重悬,可以通过透射电子显微镜(TEM)检查囊泡,方法是用乙酸铀酰对样品进行负染色(图2B)或通过观察超薄切片(图2C)。可以使用动态光散射(DLS)(图2D)和纳米颗粒跟踪分析(NTA)评估囊泡尺寸分布和浓度(图2E)。使用所描述的方案,通常在1.0的OD 730的指数生长的Synechocystis sp. PCC6803中获得〜3.5±1.0 x 10 8纳米颗粒/ mL。可以对分离的EV进行生化分析,以补充分离的囊泡的物理表征。例如,在SDS-聚丙烯酰胺凝胶上分离纯化的Synechocystis sp. PCC 6803囊泡并染色为脂多糖(LPS;图 2F)。由于LPS是外膜32特异性的,LPS检测可以验证膜结合囊泡的存在,并用作分析来自同一菌株33的制剂之间相对囊泡含量的标志物。检查低分子量与高分子量LPS的相对丰度可以表明样品34,35之间囊泡组成的变化。

图1:用于蓝藻EV分离和表征的实验程序。 生长培养物(1)和从生长培养基中分离蓝藻生物量(2)的示意图。浓缩含有囊泡的无细胞样品(3),然后分离并纯化EV(4)。根据应用的不同,可以使用透射电子显微镜(TEM),纳米颗粒跟踪分析(NTA),动态光散射(DLS)和脂多糖(LPS)分析(5)的一种或多种组合来表征囊泡制剂。室温,室温。 请点击此处查看此图的大图。

图2:蓝藻集胞藻属PCC 6803的细胞外囊泡分离和表征的代表性结果 。 (A)从600 mL Synechocystis sp. PCC 6803培养物中超速离心浓缩的无细胞细胞外培养基至1.0-1.5的OD730后获得的细胞外囊泡沉淀(EVs沉淀)的照片。注意来自外膜中发现的类胡萝卜素的囊泡颗粒的典型橙色。(乙、丙)集胞藻属PCC 6803囊泡样品的负染色(B)和超薄切片(C)的透射电子显微镜(TEM)照片。比例尺:分别为 200 nm 和 50 nm。在80 kV下操作的透射电子显微镜上观察样品。(D)典型的动态光散射(DLS)图,描绘了囊泡体积的分布作为囊泡直径(以nm为单位)的函数。彩色线条表示来自同一样品的三次技术重复测量的数据。(E)细胞外囊泡尺寸分布的代表性纳米颗粒跟踪分析(NTA)数据(nm)。黑线表示三个技术重复的平均值,红线表示平均值的标准误差。(F)脂多糖(LPS)谱是在16%(w / v)SDS-聚丙烯酰胺凝胶上电泳分离囊泡制剂并用商业LPS染色试剂盒染色后检测到的。低分子量和高分子量LPS,分别对应于粗糙和光滑LPS形式,是可检测的。请点击此处查看此图的大图。
补充文件1:计算r的方程。在指数增长期间(通常是时间过程的开始和结束)期间,每个细胞每一代在两点之间产生的囊泡数量是使用此方程确定的。 请点击此处下载此文件。
作者声明没有利益冲突。
本方案为从蓝藻培养物中分离、浓缩和表征细胞外囊泡提供了详细的描述。还讨论了从不同尺度的培养物中纯化囊泡的方法,方法之间的权衡以及使用现场样品的注意事项。
作者感谢i3S科学平台"生物界面和纳米技术"以及"组织学和电子显微镜"的支持,这是国家基础设施葡萄牙生物成像平台(PPBI-POCI-01-0145-FEDER-022122)的成员。我们还感谢J. A. Gonzalez-Reyes教授(西班牙科尔多瓦大学)帮助优化TEM的超薄切片染色方案,以及Cecília Durães博士和Ana Rita Pinto博士(葡萄牙波尔图大学)的纳米颗粒跟踪分析。
这项工作由美国国家科学基金会(OCE-2049004 to SJB)资助,由欧洲开发区基金会(FEDER)基金通过COMPE COMPETE 2020竞争力和国际化行动计划(POCI),葡萄牙,2020年,以及葡萄牙基金通过Fundação para a Ciência e a Tecnologia/Ministério da Ciência,Tecnologia e Ensino Superior在POCI-01-0145-FEDER-029540(PTDC/BIA-OUT/29540/2017 to PO)的框架内资助。Fundação para a Ciência e a Tecnologia也因SFRH/BD/130478/2017(SL)和FCT研究者补助金IF/00256/2015(PO)而备受认可。M.C.M.-M.由Horizon 2020框架计划(H2020-MSCA-IF-2018-RI-844891)内的Marie Skłodowska-Curie个人奖学金(重返社会小组)提供支持。
| 1x 磷酸盐缓冲盐水 (PBS),pH 7.4 | 自制缓冲液 | --- | 标准洗涤/储存缓冲液,可与囊泡一起使用;可在实验室制备或市售 |
| 2% 乙酸铀酰溶液 | 电子显微镜科学 | 22400-2 | 阴性染色 - TEM |
| 4x Laemmli 样品缓冲液 | Bio-Rad | 161-0747 | 蛋白水解前囊泡样品变性,脂多糖 (LPS) 染色所需 |
| Amicon Ultra 离心过滤器 (100 kDa) | Merck | UFC9100XX | 离心超滤的替代选择 |
| BG11 培养基 | 自制培养基 | --- | 用于培养 集胞藻 sp. 的培养基 PCC 6803 |
| 碳支撑膜 200 目,铜。CF200-Cu | 电子显微镜科学 | 71150 | 透射电子显微镜 (TEM) 网格 |
| 易发光辉光放电清洁系统 | Ted Pella | 91000 | 商用 TEM 网格发光放电器 |
| EMbed 812 环氧树脂 | 电子显微镜科学 | 14120 | 超薄切片 - TEM |
| 真空系统过滤器支架 | Thermo Fisher Scientific | 300-4000 | 带滤膜支撑板的可重复使用装置 |
| 戊二醛 I 级 | Sigma-Aldrich | G5882-10X1ml | 超薄切片 - TEM |
| HEPES [N-(2-羟乙基)哌嗪-N′-(2-乙磺酸)钠盐] | Sigma-Aldrich | H7006 | 蓝藻生长培养基缓冲剂 |
| 柠檬酸铅,三水合 | 物 电子显微镜科学 | 17800 | 用于电子显微镜的染色 |
| Macrosep Advance 离心装置Omega 膜 100K | 颇 | 尔MAP100C36 | 用于小体积样品的离心超滤 |
| Millipore Pellicon 3 TFF 模块 | EMD Millipore | XX42P0060 或 XX42P0080 | 用于浓缩大体积样品的替代 TFF 选项 |
| Milli-Q 参比水净化系统 | Merck | Z00QSV0WW | 用于获得 I 级超纯水的净水 |
| 系统 NanoSight | 马尔文帕纳科 | LM14 或 NS300 | 纳米颗粒跟踪分析 |
| Optima L80 XP 超速离心机 | Beckman Coulter | L80 XP | 超速离心机(或类似型号) |
| OptiPrep / 碘沙醇 | Sigma-Aldrich | D1556 | 密度梯度介质 |
| 四氧化锇试剂 Plus | Sigma-Aldrich | 201030 | 超薄切片 - TEM |
| 颇尔 CentramatePE TFF 支架 | 颇尔公司 | FS002K10 | TFF 模块,适用于浓缩 10 秒至 100 升样品;需要额外的 30 或 100 kDa 过滤器模块,以便根据估计体积进行扩展 |
| 蠕动泵 Masterflex L/S | Cole-Parmer | 07559-07 | 用于驱动大型 TFF 模块的泵 |
| 活塞梯度分馏器 | Biocomp 仪器 | 152-001 | 自动密度梯度分馏 |
| 用于 70 Ti 转子的聚碳酸酯管 | 贝克曼库尔特 | 355618 | 可重复使用的超速离心机 带盖组件的聚碳酸酯铝管 |
| Pro99 培养基 | 自制培养基 | --- | 培养基,用于培养 原绿球菌 |
| Pro-Q 翡翠 LPS 凝胶染色试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | P20495 | LPS 染色 |
| SN 培养基 | 自制培养基 | --- | 用于培养蓝藻海洋菌株的培养基,如 Synechococcus |
| 二甲胂酸钠三水合 | 物Sigma-Aldrich | C0250-100G | 用于制备 TEM |
| SW32Ti 水平转子 | 囊泡样品的缓冲剂Beckman Coulter | 369650 | 超速离心机转子,可容纳 6x ~40 mL 试管;适用于散装物料 |
| SW60Ti 摆动的造粒斗式转子 | Beckman Coulter | 335650 | 超速离心机转子,可容纳 6x ~4.5 mL 试管;适用于梯度纯化和最终囊泡清洗 |
| 注射器 1mL 鲁尔 | BD Plastipak | 303172 | 用于囊泡分离和将样品加载到南颗粒跟踪分析 (NTA) 设备 |
| 中 注射器过滤器 0.2 µm | 颇尔公司 | 4602 | 用于从培养物中分离囊泡 |
| TAPS [N-[三(羟甲基)甲基] -3-氨基丙磺酸] | Sigma-Aldrich | T5130 | 蓝藻生长培养基缓冲剂 |
| 透射电子显微镜 | JEOL | JEM-1400 | 或类似显微镜 |
| 70 型 Ti 固定角钛转子 | Beckman Coulter | 337922 | 超速离心机转子,可容纳 8x ~39 mL 试管;适用于散装物料的沉淀 |
| 来自 Streptomyces griseus | Sigma-Aldrich | P5147 | 用于 EV 蛋白蛋白水解的酶,需要用于 LPS 染色 |
| 用于 SW32Ti 转子的 UltraClear 管 | Beckman Coulter | 344058 | 一次性使用超速离心管 |
| 用于 SW60Ti 转子的 UltraClear 管 | Beckman Coulter | 344062 | 一次性使用超速离心管 |
| 超薄切片机 PowerTome XL, PT-PC | RMC 产品, Boeckeler Instruments | 75501 | 超薄切片机 - TEM |
| Universal 320 R 离心机 | Hettich | Z654736 | 这种或任何类似的通用台式/落地式离心机可用于细胞沉淀 |
| 真空装置 | KNF Neuberger | N026.3 AT.18 | 或任何类似的真空泵和捕集阱 |
| Vivaflow 200 100,000 MWCO PES | Sartorius | VF20P4 | TFF 模块,适用于 2-3 L。您可以连接不同的模块以获得更高的容量(图 1)。 |
| Whatman Polycap TC 胶囊过滤器 (0.2/0.2µm) | Cytiva | 6717-9502 | 胶囊过滤器,用于过滤大量液体 |
| Zetasizer | Malvern Panalytical | Zetasizer Nano ZS | 动态光散射 (DLS) 仪器 |