RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
German
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Wir beschreiben eine einfache Methode für schnelle Quantifizierung von anorganischen Polyphosphat in verschiedenen Bakterien, einschließlich gramnegative und grampositive mykobakteriellen Arten.
Anorganisches Polyphosphat (Polypen) ist eine biologische Polymer in den Zellen aus allen Bereichen des Lebens gefunden und ist erforderlich für die Virulenz und die Stress-Reaktion in vielen Bakterien. Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Quantifizierung PolyP in biologischen Materialien, von die viele arbeitsintensive oder unsensibel, ihre Nützlichkeit zu begrenzen sind. Wir stellen Ihnen hier eine optimierte Methode zur Quantifizierung der PolyP in Bakterien, über eine Kieselsäure Membran Spalte Extraktion optimiert für schnelle Verarbeitung von mehreren Proben, Verdauung der PolyP mit dem PolyP-spezifische Exopolyphosphatase ScPPX und Erkennung von der daraus resultierende freie Phosphat mit einem sensiblen Ascorbinsäure-basierte farbmetrischen Assay. Dieses Verfahren ist einfach, kostengünstig und ermöglicht zuverlässige PolyP Quantifizierung in unterschiedlichen Bakterienarten. Wir präsentieren Ihnen repräsentative PolyP Quantifizierung von Gram-negativen Bakteriums (Escherichia coli), grampositive Milchsäure-Bakterien (Lactobacillus Reuteri) und der mykobakteriellen Spezies (Mycobacterium Smegmatis). Wir sind auch ein einfaches Protokoll für Nickel Affinitätsreinigung mg-Mengen von ScPPX, die derzeit nicht im Handel erhältlich.
Anorganisches Polyphosphat (Polypen) ist eine lineare Biopolymer Phosphoanhydride verknüpft Phosphat-Einheiten, die in allen Bereichen des Lebens1,2,3gefunden wird. In verschiedenen Bakterien ist PolyP essentiell für Stress-Reaktion, Beweglichkeit, Biofilmbildung, Zellzyklus-Kontrolle, Antibiotika-Resistenz und Virulenz4,5,6,7,8 ,9,10,11. Studien der PolyP Stoffwechsel in Bakterien haben daher das Potenzial, grundlegende Einblicke in die Fähigkeit der Bakterien verursachen Krankheiten und gedeihen in unterschiedlichen Umgebungen. In vielen Fällen sind jedoch die verfügbaren Methoden zur Quantifizierung PolyP in Bakterienzellen ein limitierender Faktor in diesen Studien.
Es gibt mehrere Methoden, die derzeit zur Messung der PolyP Ebenen in biologischem Material. Diese Methoden beinhalten in der Regel zwei verschiedene Schritte: Extrahieren von Polypen und Quantifizierung der PolyP präsentieren in diesen Extrakten. Die aktuelle Gold-Standard-Methode, entwickelt für die Hefe Saccharomyces Cerevisiae von Bru und Kollegen12, Extrakte Polypen zusammen mit DNA und RNA mit Phenol und Chloroform, gefolgt von Ethanol Niederschlag, Behandlung mit Deoxyribonuclease (DNase) und Ribonuklease (RNase) und Verdauung der daraus resultierenden gereinigten Polypen mit S. Cerevisiae PolyP-abbauenden Enzyms Exopolyphosphatase (ScPPX)13 bis freie Phosphat, nachgeben, die dann quantifiziert wird mit einem Malachit Grün-basierte kolorimetrischen Probe. Dieses Verfahren ist sehr quantitative aber arbeitsintensiv, Begrenzung der Anzahl der Proben, die in einem einzigen Experiment verarbeitet werden können, und ist nicht optimiert für bakterielle Proben. Andere haben berichtet, Extrahieren von PolyP aus einer Vielzahl von Zellen und Geweben mit Kieselsäure Perlen ("Glassmilk") oder Kieselsäure Membran Spalten6,14,15,16,17, 18. Diese Methoden extrahieren nicht effizient kurzkettigen PolyP (weniger als 60 Phosphat Einheiten)12,14,15, zwar von weniger Belang für Bakterien, die in der Regel gedacht werden, um in erster Linie zu synthetisieren ist langkettige PolyP3. Ältere Methoden der PolyP Extraktion mit starken Säuren19,20 sind nicht mehr weit verbreitet, da Polypen unter sauren Bedingungen12instabil ist.
Es gibt auch eine Vielzahl von gemeldeten Methoden zur Quantifizierung PolyP. Zu den häufigsten ist 4 ', 6-Diamidino-2-Phenylindole (DAPI), ein Fluoreszenzfarbstoff mehr normalerweise verwendet, um DNA zu beflecken. DAPI-PolyP komplexe haben unterschiedliche Fluoreszenz Emission und Erregung Maxima als DAPI-DNA-komplexen21,22, aber es gibt erheblichen Störungen von anderen zellulären Komponenten, einschließlich RNA, Nukleotide und Inosit Phosphate12,15,16,23, Verringerung der Spezifität und Sensitivität der PolyP Messungen mit dieser Methode. Alternativ können Polypen und Adenosin-diphosphat (ADP) in Adenosintriphosphat (ATP) mit gereinigtem Escherichia coli umgewandelt werden Polypen Kinase (PPK) und die daraus resultierende ATP quantifiziert mit Luciferase14,17 ,18. Dies erlaubt den Nachweis sehr kleiner Mengen von Polypen, aber erfordert zwei enzymatische Reaktionsschritte und sowohl Luciferin und sehr reine ADP, die teure Reagenzien sind. ScPPX, die speziell Übersichten PolyP in freie Phosphat6,12,13,24, die mit einfacheren Methoden, aber ScPPX erkannt werden kann durch DNA und RNA12gehemmt wird, Meißel-DNase und RNase-Behandlung von Polypen-haltigen Extrakten. Weder die PPK als auch die ScPPX sind im Handel erhältlich, und PPK Reinigung ist relativ komplex25,26.
PolyP in Zelle Lysates oder Extrakte kann auch visualisiert werden auf Polyacrylamid-Gele von DAPI negative Färbung27,28,29,30, eine Methode, die erlaubt die Beurteilung der Kettenlänge, sondern ist niedrig-Durchsatz und schlecht quantitative.
Wir berichten nun einen schnell, preiswert, Medium-Durchsatz PolyP-Assay, der schnelle Quantifizierung der PolyP Ebenen in unterschiedlichen Bakterienarten ermöglicht. Diese Methode beginnt mit der Lyse der Bakterienzellen bei 95 ° C in 4 M Guanidin erfolgt (GITC)14 um zelluläre Phosphatasen, gefolgt von einer Kieselsäure Membran Spalte Extraktion optimiert für schnelle Bearbeitung mehrerer Proben zu inaktivieren. Der daraus resultierende PolyP-haltiger Extrakt wird dann mit einem großen Überschuss von ScPPX, wodurch die Notwendigkeit für DNase und RNase-Behandlung verdaut. Wir sind ein Protokoll für einfache Nickel Affinitätsreinigung mg-Mengen von ScPPX. PolyP abgeleitet frei Phosphat ist schließlich mit einem einfach, sensible, Ascorbinsäure-basierte kolorimetrischen Probe24 quantifiziert und normiert auf zelluläre Gesamtprotein. Diese Methode vereinfacht die Messung der PolyP in Bakterienzellen, und wir zeigen seine Verwendung mit repräsentativer Arten von Gram-negativen Bakterien, grampositive Bakterien und Mykobakterien.
1. reinigen Hefe Exopolyphosphatase (ScPPX)
(2) Ernte Proben für Polyphosphat Extraktion
3. Messung des Eiweißgehalts der Zelle Lysates
4. extrahieren Polyphosphat
(5) verdauen Polyphosphat
6. Nachweis von freien Phosphat24
7. Berechnung der zellulären Polyphosphat Inhalt
In vereinfachter Form in Abbildung 1sind die wichtigsten Schritte des Protokolls diagrammed.
Veranschaulichen die Verwendung dieses Protokolls mit Gram-negativen Bakterien, Wildtyp E. Coli war MG165539 gewachsen, Mid Log-Phase im Reich LB-Medium bei 37 ° C mit schütteln (200 u/min), dann gespült und für weitere 2 h in inkubiert Morpholinopropanesulfonate-gepuffert (MOPS) minimale mittlere40 mit 4 g L-1 Glukose und 0,1 mM K2HPO4, eine Bedingung bekannt, Produktion von PolyP14,29zu induzieren. Wie in Abbildung 2A, erkannt wir keine Polypen in Wildtyp E. Coli gewachsen in LB und 192 ± 14 (Mittelwert ± Standardabweichung [SD]) Nmol PolyP mg-1 Gesamtprotein im MOPS, konsistent mit früheren Berichten14,29 . Wie erwartet ein ∆Ppk mutierten6, welche Mängel PolyP Kinase41, produziert keine Polypen in jedem Medium, produziert ein ∆Ppx mutierten6, die Exopolyphosphatase42fehlt, etwa die gleiche Menge an PolyP als der Wildtyp und einem ∆PhoB mutierten29, die in Phosphat Transport defekt, produziert deutlich weniger Polypen als der Wildtyp14,29,43.
Die Verwendung dieses Protokolls mit Gram-positiven Bakterien, Wildtyp L. Reuteri demonstrieren waren ATCC PTA 647536 und einer isogenen ppk1 null Mutant fehlt PolyP-Kinase, konstruiert unter der Regie von Oligo Restriktionsenzymen44, gestiegen, über Nacht in MEI-C bei 37 ° C ohne schütteln. Wie in Abbildung 2 b, der Wildtyp kumulierte 51 ± 6 Nmol PolyP mg-1 Gesamt-Protein unter diesen Bedingungen gezeigt, während die ppk1 mutierten kleiner als Hälfte diese Menge enthalten. L. Reuteri enthält eine zweite PolyP-Kinase kodiert, indem die ppk2 gen45, die vermutlich entfallen die Polypen in der ppk1 -null-Mutante präsentieren.
Um die Verwendung dieses Protokolls mit Mykobakterien zu demonstrieren, wurde Mycobacterium Smegmatis Stamm SMR546 Hartmans de Bont (HdB) mittlere47, dann gespült und verwässerte das Fünffache in HdB oder HdB mit 2 % Ethanol angebaut, Mid Log-Phase. Diese Kulturen wurden dann über Nacht bei 37 ° C mit schütteln (180 u/min) inkubiert. Wie in Abbildung 2gezeigt, in der Abwesenheit von Ethanol, angesammelt M. Smegmatis 141 ± 52 Nmol PolyP mg-1 Gesamt-Protein, während Ethanol Behandlung 102 Nmol PolyP mg-1 Gesamt-Protein eine Verdreifachung 437 ± geführt. Dieses Ergebnis war zu erwarten, da Ethanol zuvor gemeldet wurde, PolyP Ebenen M. Smegmatis48zu erheben.

Abbildung 1: Schematische Darstellung Polyphosphat Extraktion und Messung Verfahren. Die wesentlichen Schritte des Protokolls PolyP Quantifizierung werden dargestellt. Bakterienzelle Pellets sind bei 95 ° C im GITC (Guanidin erfolgt) lysiert. Kleine aliquoten die Lysates sind für den Eiweißgehalt unter Verwendung des Bradford-Tests untersucht. PolyP wird abgesaugt, mit Kieselsäure Membran Spalten und dann mit ScPPX verdaut. Die daraus resultierende freie Phosphat wird quantifiziert mit der Ascorbinsäure-Test. Insgesamt PolyP abgeleitet Phosphat ist in Gesamt-Protein für jede Probe normalisiert. Eine595 = Extinktion bei 595 nm; Ein882 = Extinktion bei 882 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Vertreter führt mit verschiedenen Bakterien. (A) E. Coli MG1655 Wildtyp und isogenen ∆Ppk, ∆Ppxund ∆PhoB Mutanten wurden angebaut, bei 37 ° C mit schütteln (200 u/min) auf einem600 = 0,2 - 0,4 im Reich LB-Medium (schwarze Kreise) und dann verschoben auf minimaler Medium (MOPS mit 4 g L-1 Glukose und 0,1 mM K2HPO4) 2 h (weiße Kreise; n = 3, ± SD). (B) L. Reuteri ATCC PTA 6475 (Kreise) und eine isogenen ppk1 null-Mutante (Dreiecke) waren Erwachsene über Nacht bei 37 ° C in MEI-C Medium ohne schütteln (n = 3, ± SD). (C) M. Smegmatis SMR5 wurde angebaut, bei 37 ° C mit schütteln (180 u/min) auf einem600 = 1 in HdB Medium mit (geschlossene Quadrate) oder ohne (offene Quadrate) 2 % Äthanol (n = 3, ± SD). PolyP Ebenen sind durch die Konzentration der einzelnen Polypen abgeleitet freie Phosphat ausgedrückt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Wir beschreiben eine einfache Methode für schnelle Quantifizierung von anorganischen Polyphosphat in verschiedenen Bakterien, einschließlich gramnegative und grampositive mykobakteriellen Arten.
Dieses Projekt wurde von der University of Alabama bei Birmingham Institut für Mikrobiologie Start Fonds und NIH Grant R35GM124590 (MJG) und NIH Grant R01AI121364 (FW) unterstützt.
| E. coli BL21(DE3) | Millipore Sigma | 69450 | |
| Plasmid pScPPX2 | Addgene | 112877 | verfügbar für akademische und andere gemeinnützige Einrichtungen |
| LB Bouillon Fisher | Scientific | BP1427-2 | E. coli Wachstumsmedium |
| Ampicillin | Fisher Scientific | BP176025 | |
| Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranosid (IPTG) | Gold Biotechnologie | I2481C | |
| HEPES-Puffer | Gold Biotechnologie | H-400-1 | |
| Kaliumhydroxid (KOH) | Fisher Scientific | P250500 | zur Einstellung des pH-Werts von HEPES-gepufferten Lösungen |
| Natriumchlorid (NaCl) | Fisher Scientific | S27110 | |
| Imidazol | Fisher Scientific | O3196500 | |
| Lysozym | Fisher Scientific | AAJ6070106 | |
| Magnesiumchlorid (MgCl2) | Fisher Scientific | BP214-500 | |
| Pierce Universal Nuclease | Fisher Scientific | PI88700 | Benzonase (Sigma-Aldrich Kat. # E1014) ist ein akzeptabler Ersatz |
| 120 Sonic Dismembrator | Fisher Scientific | FB-120 | ,andere Zelllysemethoden (z. B. French Press) können ebenfalls wirksam sein |
| 5 mL HiTrap Chelat-HP-Säule | ,GE Life Sciences | 17040901 | jede Nickel-Affinitätschromatographie-Säule oder jedes Harz könnte substituiert werden |
| Nickel(II)-sulfat-Hexahydrat | Fisher Scientific | AC415611000 | zum Aufladen HiTrap-Säule |
| 0,8 &; Mikro; m Porengröße Celluloseacetat Spritzenvorsatzfilter | Fisher Scientific | 09-302-168 | |
| Bradford Reagenz | Bio-Rad | 5000205 | |
| Tris Puffer | Fisher Scientific | BP1525 | |
| Spektrum Spectra/Por 4 RC Dialysemembranschlauch 12.000 bis 14.000 Dalton MWCO | Fisher Scientific | 08-667B | andere Dialysemembranen mit MWCO < 30.000 Da sollten auch |
| Salzsäure (HCl) funktionierenFisher | Scientific | A144-212 | zur Einstellung des pH-Werts von Tris-gepufferten Lösungen |
| Kaliumchlorid (KCl) | Fisher Scientific | P217500 | |
| Glycerin | Fisher Scientific | BP2294 | |
| 10x MOPS Medium Gemisch | Teknova | M2101 | E. coli Wachstumsmedium |
| Glukose | Fisher Scientific | D161 | |
| monobasisches Kaliumphosphat (KH2PO4) | Fisher Scientific | BP362-500 | |
| zweibasisches Kaliumphosphat (K2HPO4) | Fisher Scientific | BP363-500 | |
| dehydrierter Hefeextrakt | Fisher Scientific | DF0886-17-0 | |
| Trypton | Fisher Scientific | BP1421-500 | |
| Magnesiumsulfat-Heptahydrat | Fisher Scientific | M63-50 | |
| Mangansulfat-Monohydrat | Fisher Scientific | M113-500 | |
| Guanidin Isothiocyanat | Fisher Scientific | BP221-250 | |
| Rinderserumalbumin (proteasefrei) | Fisher Scientific | BP9703100 | |
| 96-Well-Platten mit klarem Boden | Sigma-Aldrich | M0812-100EA | jede klare 96-Well-Platte funktioniert |
| Tecan M1000 Infinite Plate Reader | Tecan, Inc. | nicht anwendbar | Jedes Plattenlesegerät, das in der Lage ist, die Absorption bei 595 und 882 nm zu messen, funktioniert |
| mit Ethanol | Fisher Scientific | 04-355-451 | |
| Siliziumdioxid-Membran-Spin-Säulen | Epoch Life Science | 1910-050/250 | |
| Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) | Fisher Scientific | BP120500 | |
| 1,5 mL Mikrofuge-Röhrchen | Fisher Scientific | NC9580154 | |
| Ammoniumacetat | Fisher Scientific | A637-500 | |
| Antimon-Kaliumtartrat | Fisher Scientific | AAA1088922 | |
| 4 N Schwefelsäure (H2SO4) | Fisher Scientific | SA818-500 | |
| Ammoniumheptamolybdat | Fisher Scientific | AAA1376630 | |
| Ascorbinsäure | Fisher Wissenschaftliche | AC401471000 |