Artículo de método

Optimizar el uso de un Robot de manipulación de líquidos para llevar a cabo un alto rendimiento adelante química genética pantalla de Arabidopsis thaliana

DOI:

10.3791/57393

⸱

30 de abril de 2018

 ,  , 
1Department of Horticulture, University of Kentucky

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Una pantalla de alto rendimiento de pequeñas moléculas sintéticas se llevó a cabo en las especies de plantas modelo Arabidopsis thaliana. Este protocolo, desarrollado para un robot de manejo de líquidos, aumenta la velocidad de pantallas genética química hacia delante, acelerando el descubrimiento de nuevas moléculas pequeñas que afectan a la fisiología vegetal.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Genética química cada vez más se emplea para descifrar rasgos en las plantas que pueden ser recalcitrantes a la genética tradicional debido a la redundancia génica o mortalidad. Sin embargo, la probabilidad de que una pequeña molécula sintética ser bioactivos es baja; por lo tanto, se deben probar miles de moléculas para encontrar de interés. Robótica sistemas están diseñados para manejar grandes números de muestras, aumenta la velocidad con que puede someterse a una biblioteca química además minimizar/estandarización de error para manejo de líquidos. Para lograr una pantalla adelante genética química de alto rendimiento de una biblioteca de 50.000 moléculas pequeñas en Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), protocolos utilizando un líquido multicanal Banco manejo de robot fueron desarrollados que requieren un mínimo participación del técnico. Con estos protocolos, 3.271 pequeñas moléculas fueron descubiertas que causaron alteraciones fenotípicas visibles. compuestos de 1.563 inducida por raíces cortas, coloración de 1.148 compuestos alterados, pelos 383 compuestos causados y otras, no categorizado, alteraciones y germinación 177 compuestos inhibidas.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En los últimos 20 años los investigadores en el campo de la biología vegetal han hecho grandes progresos utilizando enfoques de genética química, adelante y atrás, mejorar nuestra comprensión de la biosíntesis de la pared celular, citoesqueleto, biosíntesis de la hormona y señalización, Gravitropismo, patogenesia, biosíntesis de purinas y endomembranoso trata de1,2,3,4,5. Empleando técnicas de genética química hacia adelante permite la identificación de fenotipos de interés y permite a los investigadores a entender los fundamentos genotípicos de procesos específicos. Por el contrario, genética reversa química busca productos químicos que interactúan con una proteína determinado objetivo6. Arabidopsis ha estado a la vanguardia de estos descubrimientos en Biología Vegetal porque su genoma es pequeña, traz y anotado. Tiene un tiempo de generación corto, y hay varias líneas de mutante/reportero disponibles para facilitar la identificación de la maquinaria subcelular aberrante7.

Hay dos principales cuellos de botella que retardan el progreso de avance pantallas genéticas química, el inicial proceso de selección y determinar el destino del compuesto de interés de8. Una ayuda importante en el aumento de la velocidad de la selección de moléculas pequeñas es el uso de la automatización y equipo automatizado9. Robots de manejo de líquidos son una excelente herramienta para manejar grandes bibliotecas de moléculas pequeñas y han sido fundamentales para impulsar avances en las ciencias biológicas10. El protocolo que presentamos está diseñado para aliviar los cuellos de botella asociados con el proceso de selección, lo que permite la identificación de moléculas bioactivas de pequeño a un ritmo rápido. Esta técnica disminuye la carga de trabajo y tiempo en nombre del operador mientras que también disminuye el costo económico para el investigador de principio.

Hasta el momento, han tenido más quimiotecas analizados entre 10.000 y 20.000 compuestos, algunos con tanto como 150.000 y algunos con tan sólo 709,11,12,13,14, 15 , 16. el protocolo introducido aquí se implementó en una biblioteca pequeña molécula de 50.000 compuestos (véase Tabla de materiales), uno de la genética química hacia adelante más grande pantallas realizados en Arabidopsis hasta la fecha. Este protocolo se ajusta a la tendencia actual de aumento de la eficiencia y la velocidad con respecto a la genética química hacia adelante, especialmente lo que respecta al herbicida descubrimiento, descubrimiento de insecticida, fungicida descubrir, descubrimiento y Biología del cáncer17 drogas ,18,19,20,21. Aunque implementado aquí con Arabidopsis, este protocolo podría ser fácilmente adaptado a cultivos de células, las esporas y potencialmente incluso insectos en medio líquido de 96, 384 o placas 1536 pocillos. Debido a su pequeño tamaño, Arabidopsis es favorable a la proyección en 96 placas bien. Sin embargo, distribuir semillas uniformemente entre pozos es un desafío. Mano siembra es correcta pero el uso intensivo de mano de obra, y aunque existen dispositivos diseñados para dispensar las semillas en placas de 96 pocillos, son caros para comprar. Aquí, mostramos cómo puede eludirse este paso con sólo una pequeña pérdida de precisión.

El objetivo general de este método fue hacer examen una gran biblioteca química contra Arabidopsis más manejable, sin comprometer la precisión, mediante el uso de un robot para manejo de líquidos. El uso de este método mejora la eficacia del investigador al disminuir el tiempo necesario para la completa gestión de series de dilución inicial y subsecuentes pantallas fenotípicas, permitiendo una visualización rápida de muestras con un microscopio de disección y rápido identificación de nuevas moléculas bioactivas de pequeño. La figura 1 muestra los resultados clave de este protocolo en 4 pasos.

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Figura 1: flujo de trabajo general de la pantalla genética química adelante. Un resumen del protocolo que se describe con algún detalle para cada uno de los 4 pasos claves. 1: recibir la biblioteca química, 2: lo que hace la biblioteca de la dilución, 3: fabricación de las placas de cribado y 4: incubación y visualizar las placas de cribado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Protocolo

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1. creación de una biblioteca de dilución

  1. La etiqueta 625 placas de dilución biblioteca a mano, asegurando que coinciden con su placa correspondiente de la biblioteca de química. Además, conecte en el flujo y las mangueras de flujo para el multicanal punta lavado automatizado laboratorio posicionador (montan@A) atravesando el disco de la consola para el depósito de 5 galones (véase Tabla de materiales).
  2. Acceder al ordenador y encienda la bomba de lavado a través de la conexión del controlador de dispositivo a la ALP de lavado punta de multicanal para circular el agua. Esto apagará automáticamente al final del protocolo.
  3. Carga, con la mano, el apilador 10 conectado al carrusel del apilador, en el siguiente orden en hoteles A - D (figura 4, apilador); una caja de AP96 P20 pipetas en el cuarto 1, cuatro 96-Well V-placas inferiores en habitaciones de 2-5 con las dos placas superiores que contienen concentraciones comunes de la biblioteca ordenada y las dos placas inferiores vacíos (figura 5, apilador). Además, carga una caja de puntas de pipeta de P20 AP96 en sala 6 y cuatro V 96-Well-placas inferiores en habitaciones 7-9 con las dos placas superiores que contienen concentraciones comunes de la biblioteca ordenada y las dos placas inferiores vacíos (figura 5, apilador).
  4. Establecer, con la mano, la cubierta con un depósito de agua de 300 mL en el P3, un baño de EtOH de 70% 300 mL en P7, punta cargador ALP (TL1) y multicanal punta lavado ALP (TW1) (cubierta,figura 4y figura 5, cubierta).
  5. Utilizando el software operativo, presentamos AP96 P20 pipetas de la 10 de apilador y moverlos a la ALP de cargador de punta.
    Nota: 1.5 a través de 1.12 todos se realizan con el sistema operativo del robot; el manejo de líquidos Véase Tabla de materiales.
  6. Actualmente 2 habitaciones de Hotel A y separar los cuatro V de 96 pocillos-parte inferior placas en la cubierta, colocar la parte inferior dos en P4 y P8 y los dos primeros en P5 y P9 (figura 4).
  7. Carga AP96 P20 pipetas con el Punta cargador ALP en el canal 96 200 μL cabeza. 90 μl del depósito de agua de 300 mL de aspirar y dispensar en el V 96-Well-placa inferior de la dilución en P4. Repita este paso para la placa P8.
  8. Mezclar la placa biblioteca química P5 repetitivamente aspirando y distribución 15 μl tres veces. Además, Aspire 10 μl de la placa de la biblioteca química de P5 y dispensar 10 μL en la placa de dilución de P4.
  9. Mezclar las soluciones de la placa P4 repetitivamente aspirando y dispensar 50 μl un total de tres veces. Una vez mezclado, limpie el AP96 P20 pipetas de aspiración y dispensación 70 μl de 70% EtOH de P7, luego lavarlas en el ALP de lavado punta de multicanal por aspiración y la dispensación de un 110% del volumen de agua cuatro veces.
  10. Repita los pasos 1.8-1.9 para el segundo par de placas en P8 y P9. Al crear el segundo V 96-Well-placa inferior de la dilución, pila las placas en el siguiente orden de abajo a arriba: P9, P5, P8 y P4. Luego, coloque la pila en una montan@A estático vacío; sea P1, P2, P6, P10, P11, P12 y P13.
  11. Repita los pasos 1.6-1.10 hasta sala de 5 en un Hotel. Repita el paso 1.5 a llegar a la sala 6, hacia nuevo AP96 P20 pipetas de la montan@A de cargador punta y colocando las puntas de pipetas de P20 AP96 utilizado en un vacío estático ALP.
  12. Repita los pasos 1.6-1.10 hasta 9 habitaciones de Hotel A es vacío. Sin embargo, con el fin de proceder a Hotel B, las placas y consejos sobre la cubierta deben ser recargados en Hotel A.
  13. A mano, llene el depósito de agua de 300 mL. Este paso es crucial, y el programa de computadora puede incorporar una pausa que detalla este mensaje, que requiere que el usuario a 'continuar', antes de realizar el siguiente paso.
  14. Repita los pasos 1.5 1.13 para los hoteles restantes, asegurando un depósito completo 300 mL de agua cada vez antes de proceder al siguiente hotel.

2. Añadir mezcla de semilla de los medios de comunicación a las placas de cribado

  1. Hacer ½ Murashige y Skoog (MS) los medios con 0,1% Agar por la adición de 4,3 g MS Salts, 0.50 g MES, 1,0 g Agar en 1 L DI H2O. ajustar el pH a 5.7 aunque la adición de hidróxido de potasio de 5 M vigilando con una sonda de pH.
  2. Esterilizar las semillas por sacudiéndolos en 1% de lejía y SDS entre 15 y 30 min y enjuagar 4 veces con un volumen igual de agua por centrifugación. Una vez que las semillas son estériles, ponerlos a 4 ° C de 24 horas a 7 días para vernilization. El centro de recursos biológicos de Arabidopsis se describen otros métodos de esterilización, vernilization y crecimiento22.
  3. Añade a los medios de comunicación a mano con una densidad de 0,1 g/100 mL. Esta densidad se traduce en un promedio de 3 a 10 semillas por pozo de una placa de 96 pocillos.
  4. Lugar, a mano, cuatro plano de 96 pozos-placas de fondo en las habitaciones 1 y 2 del Hotel (Hotel A,figura 6). Poner una caja de puntas de pipeta AP96 P250 en la montan@A cargador punta, un depósito de 300 mL llena con la mezcla de semilla de los medios de comunicación creada en pasos 2.1-2.3 en P3 y un depósito de 300 mL se llena con el 70% EtOH en P7 (figura 4, la cubierta y figura 6 Cubierta).
    Nota: 2.5 a 2.8 se realizan con el software operativo.
  5. Presentan habitaciones 1 y 2 en un Hotel y separar las pilas de cuatro placas. Coloque una placa en cada uno de los Alpes estático vacío (P4, P5, P6, P8, P9, P10, P11 y P12). Carga AP96 P250 pipetas en el canal 96 200 μL cabeza.
  6. 90 μl del depósito de los medios de comunicación-semilla 300 mL en el P3 de aspirar y dispensar en el primer piso de 96 pocillos-placa inferior. Repita este proceso hasta que todas las ocho placas contienen la mezcla de semilla de los medios de comunicación.
  7. Limpiar las puntas de pipetas AP96 P250 por aspiración y dispensación 70 μl del depósito de 300 mL con 70% EtOH en P7. Lavar las puntas en la montan@A multicanal Tip lavar por aspiración y la dispensación de un 110% del volumen de agua cuatro veces, descargan las puntas en TL1 y recoger las placas con la mano.

3. adición de pequeñas moléculas a las placas de cribado

  1. Carga a mano, una caja de puntas de pipeta AP96 P250 en habitación de Hotel 1 A, V dos de 96 pocillos-placas inferiores de la biblioteca del dilución en salas de 2, 4, 6 y 8 y dos 96 bien fondo plano proyección placas en salas de 3, 5, 7 y 9 (figura 4 Figura 7, un Hotel y apilador). Además, conecte las mangueras a y de la montan@A de lavado punta de multicanal para el depósito de 5 galones.
    Nota: 3.2 a 3.10 se realizan con el software operativo.
  2. Configurar la plataforma para contener un depósito de lavado 300 mL de 70% EtOH en P7; el depósito de semilla de los medios de comunicación puede dejarse en la cubierta en P3 (figura 4, Deck y figura 7, cubierta). Además, encienda la unidad de la consola a través de conexión del controlador de dispositivo para hacer circular agua a través de la ALP de lavado punta de multicanal. Esto apagará automáticamente al final del protocolo.
  3. Presentar el AP96 P250 pipeta Tip Box desde el Hotel A y a la ALP de cargador de punta.
  4. Presentan el V 96-bien-las placas inferiores de la biblioteca de dilución de 2 habitaciones de Hotel A la cubierta y coloque uno sobre P4 ALP estático y sobre P8. Presentar el plano de 96 pozos-placas de proyección de fondo de sala de 3 del Hotel a la cubierta y coloque una en ALP estática P5 y P9 otra.
  5. Carga AP96 P250 pipetas con el Punta cargador ALP en el canal 96 200 μL cabeza.
  6. Mezclar el V 96-Well-placa inferior de la dilución en P4 aspirando y dispensar 50 μl tres veces. A continuación, aspirar 10 μl de esta placa y dispensar en el plano de 96 pozos-placa inferior de la proyección en P5.
  7. Mezclar las soluciones de la placa en el P5 por aspirar y dispensar 50 μl tres veces. Limpiar las puntas de pipetas AP96 P250 con etanol por aspiración y dispensación 70 μl de 70% EtOH desde el embalse de P7 y luego lavar las puntas en el multicanal punta lavado ALP por aspiración y la dispensación de un 110% del volumen de agua cuatro veces.
  8. Repita los pasos del 3.5 y 3.6 para la segunda V 96-Well-placa inferior de la biblioteca de dilución (P8) y plano de 96 pozos-placa inferior de la proyección (P9).
  9. Pila los dos 96-Well V-placas de dilución biblioteca inferiores juntas y las dos placas de proyección de fondo plano de 96 pozos juntas. Hacia las placas estáticas Alpes P1 P2, P6, P10, P11, P12 y P13.
  10. Repita los pasos 3.4 3.9 tres veces, añadiendo productos químicos diluidos a proyección placas un total de ocho veces. Por último, compruebe el número de semillas en cada pocillo de las placas de cribado a través de la conformación visual y complementar esos pozos con menos de tres semillas por semillas esterilizadas y vernalized adicionales.

4. incubación y la visualización de las placas de cribado

  1. Incubar las placas de Screening de 96 pocillos fondo plano durante cuatro días en una cámara ambiental a 22 ° C en un ciclo de luz/oscuridad de 16/8 en un contenedor de prueba de desecación. Visualizar la placas de 96 pocillos de fondo plano de detección con un microscopio de disección. Registrar todos los fenotipos aberrantes para la posterior investigación.

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Resultados

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La capacidad con precisión y eficiencia caracterizan fenotipos basados en la adición de pequeñas moléculas en concentraciones debajo de un microscopio de disección de detección es el objetivo final de este método de avance genética química en Arabidopsis. Los fenotipos observados cuando todos los compuestos de 50.000 habían sido defendidos era diversos y podría ser dividido en varias clases distintas (figura 2). Figura 3A

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo está diseñado para ayudar a los investigadores a lograr una pantalla adelante genética química en Arabidopsis. Proporcionamos resultados representativos desde una pantalla de 50.000 compuestos (figura 2 y figura 3), una de las más grandes pantallas adelante genética química realizada en Arabidopsis a fecha9,13,23. El uso de un robot para manejo de líquido...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Agradecimientos

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Agradecemos a Jozsef cigüeña, Mitchel Richmond, Jarrad Gollihue y Andrea Sánchez para la discusión crítica y constructiva. El Dr. Sharyn Perry para las fotografías fenotípicas. Este material está basado en trabajo apoyado por la National Science Foundation bajo cooperativa acuerdo no. 1355438.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Proveedor localtecladoN/ASe utiliza para el diseño de protocolos y el funcionamiento del proveedor local de ratón Biomek FX
N/ASe utiliza para el diseño de protocolos y el funcionamiento del proveedor local de pantalla de ordenador Biomek FX
N/Autiliza para el diseño y el funcionamiento de protocolos Proveedor local de ordenadores Biomek FX
N/Autiliza para el diseño y el funcionamiento de protocolos el Biomek FX
DIVERSet diversa biblioteca de cribadoChemBridgeN/ABiblioteca química
Biomek SoftwareBeckman CoulterN/AEjecuta y diseña el controlador de dispositivos Biomek FX
BeckmanCoulter719366Opera la bomba de agua/estación de lavado de puntas
Apilador Carrusel ColganteBeckman Coulter148240Manejo manual de Biomek Carrusel Apilador
Biomek Carrusel ApiladorBeckman Coulter148520Unidad rotativa que alberga todos los FX Stacker 10 FX Stacker
10Beckman Coulter148522Unidad elevadora que aloja componentes para pantalla
FX Stacker 10Beckman Coulter148522Unidad elevadora que aloja componentes para pantalla
FX Stacker 10Beckman Coulter148522Unidad elevadora que aloja componentes para la criba
FX Stacker 10Beckman Coulter148522Unidad elevadora que aloja componentes para la criba
Biomek FXBeckman Coulterhttps://www.beckman.com/liquid-handlersRobot que realiza las operaciones deseadas
AccuframeArtisan Technology Group76853-4Marcos Brazo para colocar los componentes correctamente
Accesorio de encuadreBeckman Coulter719415Centra el brazo en el Accuframe
Lavado de puntas multicanal ALPBeckman Coulter719662Lava las puntas después del baño de etanol
Cargador de puntas ALPBeckman Coulter719356Carga neumática de las puntas en el brazo
Compresor de aire ProveedorlocalN/AProporciona aire para la carga neumática de puntas
MasterFlex Console DriveBomba Cole-Parmer77200-65utilizada para hacer circular el agua a través de la manguera de aire de lavado de punta multicanal
Proveedor localN/AProporciona aire desde el compresor de aire hasta
Proveedor localN/AProporciona agua de 5 galones Reserviour a la lavadora de volquetas
Beckman Coulterde ALP estáticoViene con Biomek FXSoporta equipos para la pantalla
Reservidor de 5 galonesNuestroproveedor localN/ARecircula el agua sucia de la limpieza de las puntas
PinzasBeckman CoulterViene con Biomek FXAgarra y mueve el equipo a los lugares correctos
96 canales 200 µ Cabeza LBeckman CoulterViene con Biomek FXSostiene las 96 puntas utilizadas dentro de la criba
AP96 P200 Puntas de pipetaBeckman Coulter717251Se utiliza para hacer la biblioteca de cribado
Placa de fondo plano de 96 pocillosCostar9018Ayuda en la visulización de la pantalla 96
Placa de fondo en V de pocilloCostar3897Ayuda en el almacenamiento de la biblioteca de dilución
AlumaSeal 96 Película de selladoMedSciF-96-100Sella para el almacenamiento tanto de la biblioteca de chemicle como de la biblioteca de dilución
Bolsas de plástico con cierre hermético para sándwichesProveedor localN/ASe utiliza para garantizar un ambiente húmedo para la pantalla
AP96 P20 Puntaspipeta Beckman Coulter717254Se utiliza en la creación de bibliotecas de dilución
Cámara de crecimientoPercivalAR36L3Germina semillas para fenotípicos visulización
EspátulaProveedor LocalN/ARetiene semillas para agregarlas a pozos donde la siembra líquida falló adecuadamente
Proveedor LocalPalillo de DientesN/AEmpuja las semillas de la espátula a los pozos
Murashige y Skoog Mezcla de sales basalesLaboratorios de FitotecnologíaM524Agregar a la mezcla de medios MS
MES Monohidrato de ácido libre FisherScientificICN19483580Añadido a los medios MS para disminuir el pH
Agar PolvoAlfa Aesar9002-18-0Aumenta el espesor del medio para apoyar la suspensión de semillas
5M KOHSigma-Aldrich484016Aumenta el pH a niveles adecuados
Botella de almacenamiento de medios de 1LCorning1395-1LContiene suficientes medios para una pantalla
Tubos de centrífuga de polipropilenoCorning431470Esteriliza las semillas antes de la vernilización
Sonda de pHDavis InstrumentsYX-58825-26Se utiliza para fabricar medios
ALP (posicionadores automatizados de material de laboratorio) Manual del usuarioBeckman CoulterPN 987836Ayuda a configurar el equipo de acompañamiento para el Biomek FX Guía del usuario del
carrusel de apiladores Biomek 2000Beckman Coulter609862-AAAyuda a configurar el carrusel
de apiladoresBiomek FX y FXP Manual del usuarioBeckman CoulterPN 987834Se utiliza para enmarcar la
estación de trabajo de automatización de laboratorio Biomek FXPBeckman CoulterPN B32335ABSe utiliza para ayudar a configurar el Biomek FX
Manual del usuario del software BiomekBeckman CoulterPN 987835Se utiliza para configurar y comprender el Software
de Se Se la manguera de agua del cargador de punta de de de las estaciones de trabajo de automatización de laboratorio de pod multicanal Guía de inicio del cliente

Referencias

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