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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ein Protokoll für die Strukturanalyse von Polysacchariden durch Gelelektrophorese (PACE), mit Mannan als Beispiel, wird beschrieben.
Pflanzlichen Zellwand Polysaccharide sind notorisch schwierig zu analysieren, und die meisten Methoden erfordern teure Geräte, qualifiziertes Personal und große Mengen von gereinigtem Material. Hier beschreiben wir eine einfache Methode für die Gewinnung von detaillierte Strukturinformationen Polysaccharid, einschließlich Resolution strukturelle Isomere. Für Polysaccharid-Analyse durch Gelelektrophorese (PACE) ist die Zellwand Pflanzenmaterial mit a1 Hydrolasen spezifisch für das Polysaccharid von Interesse (z. B. Mannanases für Mannan) hydrolysiert. Großformat-Polyacrylamid-Gele werden verwendet, um freigegebene Oligosaccharide, trennen das Eindringmittel beschriftet worden. Gele können mit einem modifizierten Gel imaging-System visualisiert werden (siehe Tabelle der Materialien). Der daraus resultierende Oligosaccharid-Fingerabdruck kann entweder qualitativ oder mit der Replikation, quantitativ verglichen werden. Gestänge und Verzweigung Informationen können zusätzliche a1 Hydrolasen (z. B. Mannosidases und Galactosidases) hergestellt werden. Während dieses Protokoll eine Methode beschreibt für die Analyse von Glucomannan Struktur, kann es auf jede Polysaccharid angewendet werden, bei denen charakterisierten a1 Hydrolasen bestehen. Alternativ können verwendet werden, um neuartige a1 Hydrolasen mit definierten Polysaccharid Substrate zu charakterisieren.
Polysaccharid-Analyse durch Gelelektrophorese (PACE) ist eine Methode für die detaillierte Charakterisierung der Polysaccharide1,2,3. Pflanzlichen Zellwand Polysaccharide sind notorisch schwierig zu analysieren, und die meisten Methoden erfordern teure Geräte, qualifiziertes Personal und große Mengen von gereinigtem Material. Hier beschreiben wir eine einfache Methode für die Gewinnung von detaillierte Strukturinformationen Polysaccharid, einschließlich Resolution strukturelle Isomere.
Verständnis Anlagenstruktur Zellwand Polysaccharid ist notwendig für diese Forscher pflanzlichen Zellwand Biosynthese oder die Rolle der pflanzlichen Zellwand Pflanzenentwicklung zu erkunden. Vor kurzem jedoch Zellwand Pflanzenzusammensetzung interessant, eine größere Gruppe von Forschern durch die Ausrichtung auf mit pflanzlicher Biomasse (im Wesentlichen die Zellwand) als Rohstoff für Biokraftstoffe und Biochemikalien4produzieren geworden. Beispielsweise erfordert effiziente enzymatische Verzuckerung dieses Materials ein detailliertes Verständnis der Polysaccharid-Strukturen, damit optimierte enzymatische Cocktails ausgewählte5sein können.
Tempo hat mehrere Vorteile gegenüber alternativen Methoden, die es ideal für die schnelle Analyse von komplexen Glycan Strukturen bilden. Erstens benötigt es keine Reinigung des Polysaccharids in Frage, da für Lösung State Kernspinresonanz (NMR)6benötigt wird. Zweitens Tempo lösen strukturelle Isomere, im Gegensatz zu Massenspektrometrie (MS, z. B. Matrix-unterstützte laser Desorption/Ionisierung (MALDI) und Elektrospray-Ionisation (ESI)), die kann auch schwierig sein, von Flüssigchromatographie (LC) durchführen 7. Drittens Tempo ist sehr empfindlich, mit niedrig-Picomole Auflösung, im Gegensatz zu Dünnschichtchromatographie (TLC) oder Papierchromatographie. Schließlich erfordert keine teure Ausrüstung oder Spezialisten wissen, wie bei MS, NMR und LK der Fall ist.
Die Tempo-Methode stützt sich auf die Spezifität der a1 Hydrolase (GH) Enzyme, die auf bestimmte Glykosid-Gestänge in einem Gemisch von Polysacchariden. Wenn das GH-Enzym auf die Polysaccharid-Kette wirkt, zeigt es eine reduzierende Ende, dann chemisch, in diesem Fall mit einem fluoreszierenden Label derivatisiert werden kann. Der unhydrolyzed Teil der Probe ist durch diese Methode daher nicht nachweisbar gerendert. Die beschrifteten Oligosaccharide werden dann in einem Großformat-Acrylamid-Gel durch Elektrophorese getrennt. Dadurch hervorragende Auflösung sehr ähnliche Moleküle, die Trisaccharides Glc-Mann-Mann und Glc-Mann-Glc haben beispielsweise ein anderes Rf.
Tempo ist weitgehend benutzt worden, um verschiedene Xylan Strukturen über Pflanzen Arten8, zu charakterisieren, Ermittlung Glycosyltransferase Mutanten in Arabidopsis6,9,10,11 , Glycosyltransferase-Assays9durchführen und neuartige GH Aktivitäten12,13zu charakterisieren. Wir haben auch vor kurzem verwendet, um Hefe Zellwand Mannan (Mahboubi und Mortimer, in Vorbereitung) zu charakterisieren. Hier beschreiben wir eine Methode zur Charakterisierung der pflanzlichen Zellwand Glucomannan Struktur, basierend auf früheren Berichte11,14.
1. Ernte von Pflanzenmaterial
2. Vorbereitung der Alkohol unlöslichen Rückstände (Luft)
3. Aliquotierung und Vorbehandlung von AIR
Hinweis: die genaue Menge der Luft benötigt für jede Probe (a) die Fülle des Polysaccharids von Interesse an dem Material und (b) die durchschnittliche Größe der Oligosaccharide hängt von veröffentlicht Das GH. Die Methode fügt ein fluoreszierendes Molekül der reduzierenden Ende jedes Oligosaccharid, d. h. die Anzahl der Oligosaccharide die Empfindlichkeit des Experiments bestimmt. Als Richtwert für Glucomannan in Arabidopsis Stamm verdaut mit GH5/GH26 (wie beschrieben), 500 µg empfiehlt 11, während für Xylan in Arabidopsis Stiel mit GH11 verdaut, 100 µg wie Mortimer empfohlen wird ' s Studie 3.
4. Hydrolyse von Luft mit Glycosyl Hydrolases (GHs)
Hinweis: wie in der Diskussion erwähnt, die Reinheit der GHs ist von entscheidender Bedeutung. Verwenden Sie nur heterologously ausgedrückt, gereinigt Affinität Enzyme. Nach Erhalt der jede Charge des Herstellers, Hydrolyseneigung definierten Aliquote des Substrates (z. B. 500 µg Luft) mit zunehmenden Mengen von GH über Nacht (z. B. 0,5, 1, 2, 5, 10, 15, 20 µL) (3 Einheiten/µL). Wird ein Überschuss von GH, wird der Tempo Fingerabdruck identisch aussehen. Ein Übermaß an Enzym ist erforderlich, um ein reproduzierbares Ergebnis zu liefern, weil es sicher sein muss, dass die Hydrolysereaktion den Endpunkt nähert.
5. Vorbereitung der Oligosaccharid-Standards
6. Derivitization der Oligosaccharide
7. Vorbereitung der PACE Gele
Hinweis: Montage von Gel-Gießanlage abhängig von der Marke. Hier, wir uSe eine vertikale Elektrophorese-System (siehe Tabelle der Materialien), ausgestattet mit 18 x 24 cm Glasplatten und 1,5 mm Spacer.
8. Mit einem Tempo Gel
9. Visualisierung einer Tempo-Gels
Hinweis: verwenden Sie eine Gel imaging-System ausgestattet mit langwelligem UV-Strahler in den Transilluminator und eine Emission Filter für die Kamera, die für das Fluorophor, hier 530 nm geeignet ist. Alternativ ein Laserscanner kann auch verwendet werden, wie unter Goubet 2.
Hier zeigen wir eine Beispiel Tempo Gel laufen pro das Protokoll zusammen mit Beschreibungen zur Unterstützung Dateninterpretation und Fehlerbehebung, und es folgt eine allgemeine Anleitung zum erfolgreichen Schritt Gel Auslegung13,16. Eine repräsentative Gel von einem standard Tempo Assay Zellwand Mannan Inhalte ist in Abbildung 2gezeigt, und wird beschrieben durch Bahn-Bahn.
Normen
Bahnen 1, 2 und 3 zeigen eine Leiter kommerziell gekauften Oligosaccharide (Mann1- Mann-6) von 5 (S1), 10 (S2) und 50 (S3) Pmol Konzentration. Wenn Sie eine neue Menge eine kommerzielle Oligosaccharid empfangen, ist es wichtig, die Reinheit auf einem Gel zu überprüfen. Viele Oligosaccharide, besonders Tetrasacccharides und mehr, können erhebliche Kontamination mit Oligosaccharide von anderen Grad der Polymerisation (DPs), wie hier gezeigt für Mann6 (markiert mit *). Bei der Quantifizierung eines Gels, ist es wichtig, mindestens 3 Konzentrationen von den Standards zu haben, da es notwendig für die Berechnung der Standardkurve. Berechnung der Standardkurve kann auch dafür, dass die Derivatisierung Reaktion im Wesentlichen bei Fertigstellung ist hilfreich sein. Standards der bekannte Konzentrationen erlauben Vergleiche zwischen Gele und sind ein nützliches Steuerelement für Trennung und Derivatisierung Qualität.
Positivkontrolle
Bahn 4 zeigt eine Mannanase Verdauung von Konjac Glucomannan. Konjac Glucomannan ist im Handel erhältlich, und während es nicht die gleiche Struktur wie das haben, z. B. fand in Arabidopsis, es dient zwei Zwecken. Erstens ist es eine wichtige Kontrolle für die enzymatische Verdauung. Der Forscher soll sieht eine kommerzielle Substrat verdaut mit ihren GHs Wahl wenn verdaut bis zur Fertigstellung (d. h. , die einen großen Überschuss an GH die Reaktion hinzugefügt wird). Wenn künftig Experimente das Muster ändert, kann dies entweder ein Verlust an Aktivität oder Kontamination der GH-Aktie hinweisen. Zweitens dient es als ein Steuerelement für die Derivatisierung Reaktion in Anwesenheit des Enzyms und Puffer Salze. Wenn die Standards gut aussehen, sondern die Positivkontrolle schlecht ist, kann dann dies bedeuten, dass ein Bestandteil der Hydrolysereaktion hemmenden, die Derivatisierung ist.
Wildtyp (WT) Arabidopsis ergeben sich Luft + Mannanase cocktail (GH5 + GH26)
Bahn 5 zeigt den Tempo-Fingerabdruck eines WT Arabidopsis-Stammes (vgl. Referenzen11,14).
csla9 Arabidopsis ergeben sich Luft + Mannanase cocktail (GH5 + GH26)
Bahn 6 zeigt, zeigt der Tempo Fingerabdruck des Stammes von einem Arabidopsis Pflanzen fehlen die großen Mannan-Synthase11stammen. Vergleichen Sie mit den WT und Negativkontrolle Fingerabdrücke. Während der Großteil der Mannan fehlt in diesem Werk eine kleine Menge bleibt, wie die reduzierten Band Intensitäten für alle Mannanase abgeleitet Oligosaccharide belegt wird dies durch zusätzliche Mannan Synthasen (CSLA2, 3) synthetisiert11.
Negativ-Kontrolle - Enzym nur
Bahn 8 zeigt Bänder auf dem Gel, die nicht spezifisch, das ableiten von Schadstoffen in der Mannanase cocktail, und sollte aus der Analyse ausgeschlossen werden (markiert mit *).
Negativ-Kontrolle - WT nur Luft
Lane 9 zeigt Bänder auf das Gel, das sind nicht spezifisch und sollte aus der Analyse ausgeschlossen werden (markiert mit *).
Negativ-Kontrolle- csla9 Nur Luft
Lane 10 zeigt Bänder auf das Gel, das sind nicht spezifisch und sollte aus der Analyse ausgeschlossen werden (markiert mit *).
Kiefer Holz Luft + Mannanase cocktail (GH5 + GH26)
Lane 7 zeigt den Tempo-Fingerabdruck aus Kiefernholz, die Galactoglucomannan enthält. Dies hat eindeutig ein anderes Muster der veröffentlichten Oligosaccharide, Arabidopsis, aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur.
Negativ-Kontrolle - Kiefer nur Luft
Lane 11 zeigt Bänder auf das Gel, das sind nicht spezifisch und sollte aus der Analyse ausgeschlossen werden (markiert mit *).
Interpretation eine Tempo-Gel ist relativ einfach, erfordert aber Bewusstsein für die folgenden Punkte. Für robuste Daten empfiehlt es sich zur Durchführung Tempo auf mindestens 3 unabhängig voneinander gewachsen biologische repliziert, und es wird empfohlen, mindestens 2 technische Wiederholungen auf jede biologische Replikation durchführen. Beschriebenen Steuerelemente sind entscheidend für die Auslegung, wie unspezifische Bänder müssen ausgeschlossen werden. Wir empfehlen auch laden Proben in einer anderen Reihenfolge auf replizieren Gele, Effekte auszuschließen, die ungleichmäßige Ausleuchtung durch die Transilluminator entstehen. Genaue Interpretation erfordert eine Analyse der Bands, die nicht ausgelastet sind. Da einige Oligosaccharid Fingerabdrücke sowohl sehr hohe und niedrige Fülle Polysaccharide enthalten können, empfiehlt es sich, mehrere Aufnahmen des gleichen Gels zu analysieren. Die Standards können verwendet werden, um zwischen verschiedenen Bildern zu normalisieren.
Für einige Arten von Experimenten es möglicherweise wünschenswert, die Menge der Polysaccharid in der Luftaufbereitung zu quantifizieren. Zwar ist es möglich, aus einem Tempo-Gel zu quantifizieren, es erfordert Kenntnisse über die genaue molekulare Identität jedes Oligosaccharid, veröffentlicht von der GHs und wo befindet es sich auf das Tempo gel. Dies ist derzeit nicht vollständig bekannt für Mannan, aber für andere Polysaccharide z.B. Xylan3festgestellt wurde. Die Standards bieten einen Weg der Normalisierung zwischen Gele, auch wenn Quantifizierung nicht durchgeführt wird, und so in eine semi-quantitative oder qualitative Analyse unterstützen wird.
Identifizierung der Struktur der einzelnen Oligosaccharide lässt sich mit Cocktails der GHs. Sequential Zugabe von weiteren GHs kann enthüllen Details über Zusammenhänge und Ersetzungen von freigegebenen Oligosaccharide (z. B. Zugabe von β - 1,4 - Glucosidase, die auf nicht-reduzierenden Ende wirkt wird zeigen, welche Oligosaccharide in der Mischung enthalten diese Funktion). Verfügbaren Enzyme gehören Galactosidases, Glucuronidases und Glucosidases (siehe CAZy Datenbank16 zusätzliche Informationen); Hogg, D. Et Al. sehen 17 als Vorbild.
Das obige Protokoll kann verwendet werden, um die Aktivität des unbekannten GHs zu charakterisieren. In diesem Fall sollte eine definierte Biomasse, wie Arabidopsis Stiel oder Konjac Glucomannan, verwendet werden, die unbekannte GHs-13auf den Bildschirm.

Abbildung 1 : Dies zeigt das Schema für die fluoreszierenden Derivatisierung Oligosaccharide mit Ameisen. Geändert von Goubet2.e.com/files/ftp_upload/56424/56424fig1large.jpg"Target ="_blank"> klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2 : Repräsentative Tempo Gel zeigt des Mannan-Fingerabdrucks von Arabidopsis, Kiefer und eine Arabidopsis-Mutante (csla9) hat die Mannan Biosynthese beeinträchtigt. AlR wurde mit einem Mannanase cocktail hydrolysiert und veröffentlichten Oligosaccharide wurden mit einem Fluorophor derivatisiert. Die Oligosaccharide trennten sich durch Gelelektrophorese auf der Grundlage von Größe, Form und kostenlos. Eine Leiter Manno-Oligosaccharide (Man1-6) ist zur Unterstützung bei der Identifizierung von relativer Mobilitäten veröffentlichten Oligosaccharide und eine Hydrolyse des gereinigten Mannan (abgeleitet von Konjac) ist als Positivkontrolle angezeigt. * = unspezifische Bänder. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Ein Protokoll für die Strukturanalyse von Polysacchariden durch Gelelektrophorese (PACE), mit Mannan als Beispiel, wird beschrieben.
Die Tempo-Methode wurde entwickelt und im Laufe der Jahre von verschiedenen Mitgliedern des Arbeitskreises Dupree (University of Cambridge, UK) optimiert, und wir freuen uns über ihre Beiträge. Diese Arbeit wurde im Rahmen des DOE gemeinsame Bioenergie Instituts (http://www.jbei.org) unterstützt vom U. S. Department of Energy, Office of Science, Büro des biologischen und Umweltforschung, durch Vertrag DE-AC02-05CH11231 zwischen Lawrence finanziert. Berkeley National Laboratory und das US Department of Energy. Wir danken auch Thea Pick- and -Vy Ngo für Hilfe bei der Vorbereitung der csla9 Proben.
| Oligosaccaharide Standards | |||
| Mannose | Sigma-Aldrich | CAS 3458-28-4 | |
| Mannobiose | Megazyme | CAS: 14417-51-7 | |
| Mannotriose | Megazyme | CAS: 28173-52-6 | |
| Mannotetraose | Megazyme | CAS: 51327-76-5 | |
| Mannopentaose | Megazyme | CAS: 70281-35-5 | |
| Mannhexaose | Megazyme | CAS: 70281-36-6 | |
| Glucomannan (Konjak; Niedrige Viskosität) | Megazyme | P-GLCML | |
| Name | Company | Katalognummer | Kommentare |
| Andere Spezialchemikalien | |||
| 8-Aminonaphthalin-1,3,6-trisulfonsäure | (Molekulare Sonden) Thermo | A350 | |
| 2-Pikolin-Boran | TCI | B3018 | |
| 40 % Acrylamid/Bis-Acrylamid (29:1 Acrylamid:Bis) | Bio-rad | 1610146 | |
| Name | Unternehmen | Katalognummer | <>Kommentare |
| Spezialausrüstung | |||
| Gel-Gießset | Hoefer | SE660 Set | 18x24 cm Glasplatten, 0,75 mm Abstandhalter |
| Kühl-Umlaufwasserbad | Hoefer | RCB20-plus 115 V | Muss in der Lage sein, die Temperatur bei ~10 °C zu halten |
| G:Box Chemi XRQ Imaging System | Syngene | 05-GBOX-CHEMI-XRQ | Bestellen Sie mit Filtern, die für Fluorphor geeignet sind, und Transilluminator sollte mit langwelligen UV-Glühbirnen ausgestattet sein |
| Hochspannungs-Netzteil | Thermo | EC1000XL | 1000 V |
| Vakuumzentrifuge (Speedvac) | Savant | SPD131 | |
| Vertikales Gelelektrophoresesystem | Hoefer | SE660 | |
| Glykosylhydrolasen | |||
| Diese können von Firmen wie z.B. Megazyme (https://www.megazyme.com/) oder Prozomix (http://www.prozomix.com/) bezogen oder im eigenen Haus exprimiert werden, indem das Plasmid bei der entsprechenden Forschungsstelle angefordert wird Gruppe. | |||
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
| Laborbedarf | |||
| 15 ml Zentrifugenröhrchen ( Falcon Zentrifugenröhrchen, Polypropylen, steril, Corning) | VWR | 21008-918 | |
| 50 ml Zentrifugenröhrchen ( Falcon Zentrifugenröhrchen, Polypropylen, steril, Corning) | VWR | 21008-951 | |
| Name | Unternehmen | Katalognummer< | strong>Kommentare |
| Software | |||
| Gel Bildgebungssoftware ( Genesys) | Syngene |