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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Se presenta un protocolo para extraer el contenido total de lípidos de la pared celular de una amplia gama de micobacterias. Además, se muestran protocolos de extracción y análisis de los diferentes tipos de ácidos micólicos. También se proporciona un protocolo cromatográfico de capa delgada para monitorear estos compuestos micobacterianos.
Las especies de micobacterias pueden diferir entre sí en la tasa de crecimiento, la presencia de pigmentación, la morfología de la colonia mostrada en los medios sólidos, así como otras características fenotípicas. Sin embargo, todas tienen en común el carácter más relevante de las micobacterias: su pared celular única y altamente hidrofóbica. Las especies de micobacterias contienen un complejo unido a la membrana covalente que incluye arabinogalactano, peptidoglicano y cadenas largas de ácidos micólicos con tipos que difieren entre las especies de micobacterias. Además, las micobacterias también pueden producir lípidos que se localizan, no unidos covalentemente, en sus superficies celulares, como los dicicocerosatos de fteocerol (PDIM), los glicolípidos fenólicos (PGL), los glicopptidolípidos (GPL), las aciltrehalosas (AT) o los narizidos de fosfatidil-inositol (PIM), entre otros. Algunos de ellos se consideran factores de virulencia en micobacterias patógenas, o lípidos antigénicos críticos en la interacción huésped-micobacterias. Por estas razones, existe un interés significativo en el estudio de los lípidos micobacterianos debido a su aplicación en varios campos, desde la comprensión de su papel en la patogenicidad de las infecciones por micobacterias, hasta una posible implicación como agentes inmunomoduladores para el tratamiento de enfermedades infecciosas y otras patologías como el cáncer. Aquí, se presenta un enfoque simple para extraer y analizar el contenido total de lípidos y la composición de ácido micólico de las células de micobacterias cultivadas en un medio sólido utilizando mezclas de solventes orgánicos. Una vez obtenidos los extractos lipídicos, se realiza cromatografía de capa fina (TLC) para monitorizar los compuestos extraídos. El experimento de ejemplo se realiza con cuatro micobacterias diferentes: mycolicibacterium brumae y Mycolicibacterium fortuitum de rápido crecimiento ambiental, el bacilo atenuado de crecimiento lento Mycobacterium bovis Calmette-Guérin (BCG) y el patógeno oportunista de rápido crecimiento Mycobacterium abscessus, lo que demuestra que los métodos mostrados en el presente protocolo se pueden utilizar para una amplia gama de micobacterias.
Mycobacterium es un género que comprende especies patógenas y no patógenas, caracterizadas por tener una pared celular altamente hidrofóbica e impermeable formada por sus peculiares lípidos. Específicamente, la pared celular micobacteriana contiene ácidos micólicos, que son ácidos grasos α-alquilo y β-hidroxi, en los que la rama α es constante en todos los ácidos micólicos (excepto en la longitud) y la cadena β, llamada cadena de meromycolate, es una cadena alifática larga que puede contener diferentes grupos químicos funcionales descritos junto con la literatura (α-, α'-, metoxi-, metoxi-, κ-, epoxi-, carboxi-, y ω-1-metoxi-micolatos), produciendo así siete tipos de ácidos micólicos (I-VII)1. Además, otros lípidos con una importancia incuestionable también están presentes en la pared celular de las especies de micobacterias. Especies patógenas como Mycobacterium tuberculosis, el agente causal de la tuberculosis2 producen factores de virulencia específicos basados en lípidos como dilipocerol dimycocerosatos (PDIMs), glicolípidos fenólicos (PGL), di-, tri-, y penta-aciltrehalosas (DAT, TAT y PAT), o sulfolípidos, entre otros.3. Su presencia en la superficie micobacteriana se ha asociado con la capacidad de modificar la respuesta inmune del huésped y por tanto, la evolución y persistencia de la micobacteria dentro del huésped.4. Por ejemplo, la presencia de triacilgliceroles (TAG) se ha asociado con el fenotipo hipervirulento del linaje 2-Beijing sublinaje de M. tuberculosis, posiblemente debido a su capacidad para atenuar la respuesta inmune del huésped5,6. Otros lípidos relevantes son los lipooligosacáridos (LOS) presentes en micobacterias tuberculosas y no tuberculosas. En el caso de Mycobacterium marinum, la presencia de LOSs en su pared celular está relacionada con la motilidad deslizante y la capacidad de formar biopelículas e interfiere con el reconocimiento por parte de los receptores de reconocimiento de patrones de macrófagos, afectando la absorción y eliminación de las bacterias por los fagocitos del huésped.7,8. Además, la ausencia o presencia de algunos lípidos permite clasificar a los miembros de una misma especie en diferentes morfotipos con perfiles virulentos o atenuantes al interactuar con las células huésped. Por ejemplo, la ausencia de glicopeptidolípidos (GPL) en el morfotipo rugoso de Mycobacterium abscessus se ha asociado con la capacidad de inducir acidificación intrafagosómica y, en consecuencia, apoptosis celular9, a diferencia del morfotipo liso que posee G L GPL en su superficie. Además, el contenido de lípidos de la pared celular micobacteriana está relacionado con la capacidad de modificar la respuesta inmune en el huésped. Esto es relevante en el contexto del uso de algunas micobacterias para desencadenar un perfil inmune protector contra diferentes patologías.10,11,12,13. Se ha demostrado, por ejemplo, que Mycolicibacterium vaccae, una micobacteria saprófita, que actualmente se encuentra en ensayos clínicos de fase III como vacuna inmunoterapéutica para la tuberculosis, muestra dos morfotipos coloniales. Mientras que el fenotipo liso, que contiene un poliéster en su superficie, desencadena una respuesta Th2, el fenotipo rugoso desprovisto del poliéster puede inducir un perfil Th1 cuando interactúa con las células inmunes del huésped.14. El repertorio de lípidos presentes en la célula micobacteriana no solo depende de las especies de micobacterias, sino también de las condiciones de los cultivos de micobacterias: tiempo de incubación.15,16 o composición del medio de cultivo17,18. De hecho, los cambios en la composición del medio de cultivo afectan a la actividad antitumoral e inmunoestimuladora de M. bovis BCG y Mycolicibacterium brumae in vitro17. Además, el perfil inmune protector desencadenado por M. bovis BCG contra M. tuberculosis El desafío en modelos de ratones también depende de los medios de cultivo en los que M. bovis BCG crece17. Estos podrían estar relacionados con la composición lipídica de las micobacterias en cada condición de cultivo. Por todas estas razones, el estudio del contenido lipídico de las micobacterias es relevante. Se presenta un procedimiento visual para extraer y analizar la composición lipídica de la pared celular micobacteriana.
1. Extracción del total de lípidos no ligados a covalentes de micobacterias (Figura 1)
2. Extracción de ácido micólico por metanolisis ácida (Figura 2A)
3. Extracción de ácido micólico por saponificación y metilación (Figura 2B)
4. Análisis de cromatografía en capa fina (TLC)
Con el objetivo de mostrar una amplia gama de lípidos presentes en diferentes especies de micobacterias, se seleccionó M. bovis BCG por tratarse de micobacterias rugosas y de crecimiento lento. En el procedimiento se añadieron M. fortuitum y M. brumae rugosas y de rápido crecimiento y, finalmente, también se incluyó el morfotipo liso de M. abscessus. Estas cuatro especies nos permiten visualizar un amplio espectro de lípidos derivados de micobacterias como aciltrehalosas (AT), GGL, PDIM, PGL, PIM, TDM y TMM. Además, las cuatro especies tienen diferentes patrones de ácido micólico.
Después de realizar los protocolos de extracción de ácido micólico, los extractos de lípidos se analizaron a través del análisis 1D-TLC utilizando dos sistemas de elución diferentes, igualmente válidos (Figura 3A,B). La primera fase móvil(Figura 3A)estuvo compuesta por n-hexano y dietil-éter (85:15), y la placa se ejecutó tres veces. La segunda fase móvil consistió en 100% de diclorometano y la placa se eluyó una vez(Figura 3B). En ambos sistemas de elución, los ácidos micólicos se encuentran aproximadamente en el centro de la placa TLC desde el origen de la aplicación de la muestra. Como muestra la Figura 3, M. brumae solo posee ácidos micólicos tipo I, un ácido micólico presente en todas las especies de micobacterias. M. bovis BCG tiene perfiles de ácidos micólicos tipo I y IV, M. fortuitum tipo I y V, y M. abscessus,tipo I y II. La realización de dos tipos de procedimientos de metilación nos permite confirmar la presencia de ácido micólico tipo V, ya que el ácido micólico tipo V se escinde durante el procedimiento de metanolisis ácida. Como muestra la Figura 3, solo después del procedimiento de saponificación se observó el punto correspondiente al ácido micólico tipo V. Después de la metanolisis, TLC mostró los compuestos derivados de la escisión tipo V que migraron cerca del punto de aplicación19. Para los investigadores de neófitos, 2D-TLC puede permitir un método complementario para identificar cada tipo de ácidomicólico (Figura 3C,D). Los extractos de ácido micólico deben ejecutarse primero en un sistema de elución formado por éter de petróleo (60-80 °C) y acetona (95:5) tres veces. Luego, la placa debe correr en la segunda dirección con una fase móvil formada por tolueno y acetona (97: 3). 2D-TLC combinado con espectrometría de masas (MS) se ha utilizado para identificar y caracterizar químicamente los grupos funcionales de los ácidos micólicos y se ha utilizado ampliamente para caracterizar los ácidos micólicos20,21,22. Por lo tanto, el patrón de ácido micólico es una de las características bioquímicas de valor en la evaluación sistemática de micobacterias en combinación con otros análisis debido a los patrones compartidos de ácido micólico entre diferentes especies.
Después de realizar el procedimiento mencionado anteriormente para extraer los lípidos ligados no covalentes, se seleccionaron diferentes sistemas de elución en función de la polaridad y el tamaño del perfil lipídico encontrado en las células de micobacterias. La combinación ideal de disolventes en los sistemas de elución debe permitir visualizar los lípidos deseados en la zona media de la placa TLC para facilitar su posterior purificación, si se desea. En la Figura 4,las placas TLC se ordenan desde el sistema de elución que permite monitorizar la mayor cantidad de lípidos apolares(Figura 4A)hasta el sistema de elución que permite visualizar la mayor cantidad de lípidos polares(Figura 4E).
Los gliceroles de acil (AG) y los PDIM son dos de los lípidos más apolares presentes en la pared celular de las micobacterias y se visualizan fácilmente a través de análisis 1D-TLC utilizando una fase móvil formada por éter de petróleo: éter dietílico (90:10). La Figura 4A muestra que los AG estaban presentes en M. bovis BCG, M. fortuitum y M. brumae pero no en el morfotipo liso de M. abscessus. Aunque 1D-TLC sugirió la presencia de PDIM en M. bovis BCG y M. fortuitum,sólo fue corroborado en M. bovis BCG cuando se realizó el análisis 2D-TLC(Figura 4B). En conjunto, estos resultados demuestran la importancia de corroborar la presencia de un compuesto micobacteriano por al menos dos sistemas de elución diferentes. Otro lípido interesante para analizar en la composición de micobacterias es el PGL. En las micobacterias elegidas, la PGL sólo está presente en M. bovis BCG, y se nota cuando se eluye TLC con el sistema de elución formado por cloroformo y metanol (95:5)(Figura 4C). Siguiendo la idea de visualizar más componentes polares, se utilizó el sistema de elución consistente en la mezcla de 90:10:1 (cloroformo:metanol:agua) para monitorear la presencia de GCL(Figura 4D),que solo están presentes en el morfotipo liso de M. abscessus. En el mismo TLC: también se puede observar PGL, dicolato de trehalosa (TDM), acil trehalosas (AT) y monomielato de trehalosa (TMM). PGL, GGL, TDM, AT también se observaron en la parte superior de la placa cuando el sistema de elución consistía en 30:8:1 (cloroformo:metanol:agua)(Figura 4E). TMM se encuentra en el centro de la placa. TDM y TMM se expresaron claramente en todas las micobacterias estudiadas. A pesar de que se observan nariz de fosfatidil-inositol (PIL) en la parte inferior de la placa, el mejor sistema de elución para analizar piMs es 60:35:8 (cloroformo:metanol:agua) como se muestra en la Figura 5A,B. Mientras que todos los lípidos que contienen azúcar se revelan con antrona(Figura 5A),los PIM contienen grupos fosfato que se revelan específicamente con el reactivo Azul de Molibdeno(Figura 5B). Al igual que los ácidos micólicos, AG y PDIMs, los PIMs también se pueden visualizar fácilmente a través de análisis 2D-TLC(Figura 5C). Por otra parte, en el caso de analizar micobacterias que sean capaces de sintetizar LOSs, PIMs y LOSs se diferenciarían utilizando el mismo sistema de elución 2D, tal y como se detalla en Ren et al.8.

Figura 1: Esquema del procedimiento de extracción del contenido lipídico de micobacterias cultivadas en medios sólidos. Pasos principales para descifrar los lípidos presentes en las células de micobacterias. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Esquema del procedimiento para extraer el contenido de ácido micólico de micobacterias cultivadas en medios sólidos. Pasos principales para descifrar los ácidos micólicos presentes en las células de micobacterias utilizando la metanolisis ácida(A)o la saponificación(B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Resultados representativos de la extracción de lípidos de micobacterias. Análisis por cromatografía en capa delgada (TLC) de ácidos micólicos desarrollados en (A) 85 mL de n-hexano, más 15 mL de dietil éter (tres tiradas), y (B) 100 mL de diclorometano. (C) Análisis bidimensional de TLC de ácidos micólicos extraídos por metanolisis ácida desarrollada en 95:5 (n-hexano:acetona) (tres tiradas) en la primera dirección y 97:3 (tolueno:acetona) en la segunda dirección. (D) Análisis bidimensional de TLC de ácidos micólicos de M. fortuitum extraídos por saponificación desarrollados en 95:5 (n-hexano:acetona) (tres tiradas) en la primera dirección y 97:3 (tolueno:acetona) en la segunda dirección. Se revelaron TLC con hidrato de ácido molibdatofosfórico al 10% en etanol seguido de calentamiento de la placa a 120 °C. M. bovis BCG Connaught (Línea 1 y 1'); M. fortuitum (líneas 2 y 2'); M. abscessus morfotipo liso (Línea 3 y 3') y M. brumae (Línea 4 y 4'). 1-4 ácidos micólicos obtenidos por metanolisis ácida y 1'-4' ácidos micólicos obtenidos por saponificación. Yo, α-micolatos; II, α'-micolatos; IV, cetomiecolatos; V, epoximielatos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Resultados representativos de la extracción de lípidos de micobacterias. (A) Análisis TLC de acilgliceroles (AG) y diquicocerosatos de ftiocerol (PDIMs) desarrollado en 90:10 (éter de petróleo (60-80 °C):d éter de sitilo). (B) Análisis TLC bidimensional de PDIMs y AG desarrollado en 98:2 (éter de petróleo (60-80 °C):acetato de etilo) (tres tiradas) en la primera dirección y 98:2 (éter de petróleo (60-80 °C):acetona) en la segunda dirección. (C) Análisis TLC de glicolípidos fenólicos (PGL) desarrollado en 95:5 (cloroformo:metanol). (D) Análisis de TLC desarrollados en 90:10:1 (cloroformo:metanol:agua) de PGL, glicopeptidolípidos (GPL), ditilelato de trehalosa (TDM), acil trehalosas (AT) y monomielato de trehalosa (TMM). (E) Análisis TLC de PGL, GPL, AT, TMM y fosfatidil-inositol mansósidos (PIMs) desarrollados en 30:8:1 (cloroformo:metanol:agua). A-B-C se revelaron con 10% de hidrato de ácido molibdatofosfórico en etanol seguido de calentamiento de la placa a 120 ° C. D-E se revelaron con 5% en etanol de 20% α-naftol en ácido sulfúrico y calentado a 120 ° C. Línea 1: M. bovis BCG Connaught; Línea 2: M. fortuitum; Línea 3: Morfotipo liso de M. abscessus; Línea 4: M. brumae. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Resultados representativos de PIMs de micobacterias. (A-B) Análisis TLC de PIMs desarrollado en 60:35:8 (cloroformo:metanol:agua). (C) Análisis TLC bidimensional de PIMs desarrollado en 60:30:6 (cloroformo:metanol:agua) en la primera dirección y 40:25:3:6 (cloroformo:ácido acético:metanol:agua) en la segunda dirección. A-C se revelaron con antrona al 1% en ácido sulfúrico seguido de calentamiento de la placa a 120 ° C. B se reveló con el reactivo Molybdenum Blue hasta que aparecieron bandas de fosfato. Línea 1: M. bovis BCG Connaught; Línea 2: M. fortuitum; Línea 3: Morfotipo liso de M. abscessus; Línea 4: M. brumae. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Se presenta un protocolo para extraer el contenido total de lípidos de la pared celular de una amplia gama de micobacterias. Además, se muestran protocolos de extracción y análisis de los diferentes tipos de ácidos micólicos. También se proporciona un protocolo cromatográfico de capa delgada para monitorear estos compuestos micobacterianos.
Esta investigación fue financiada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (RTI2018-098777-B-I00), los Fondos FEDER y la Generalitat de Catalunya (2017SGR-229). Sandra Guallar-Garrido es beneficiaria de un contrato de doctorado (FI) de la Generalitat de Catalunya.
| Ácido acético Merck | 100063 | PRECAUCIÓN. Anhidro para análisis EMSURE® ACS, ISO, Reag. ph eur | |
| acetona | carlo erba | 400971N | PRECAUCIÓN. ACETONA RPE-ACS-ISO PARA ANALYS ml 1000 |
| Anthrone | Merck | 8014610010 | Anthrone para síntesis. |
| Benceno | , Carlo Erba | , | 426113 PRECAUCIÓN. Benceno RPE - Para análisis - ACS 2,5 l |
| Tubo de vidrio capilar | Merck | BR708709 | BRAND® desechable BLAUBRAND® micropipetas, Cloroformo intraMark |
| Carlo | Erba | 412653 | PRECAUCIÓN. Cloroformo RS - Para HPLC - Grado isocrático - Estabilizado con etanol 2,5 L |
| Calentador de bloque seco | J.P. Selecta | 7471200 | |
| Diclorometano | Carlo Erba | 412622 | PRECAUCIÓN. Diclorometano RS - Para HPLC - Grado isocrático - Estabilizado con amileno 2,5 L |
| Éter dietílico | Carlo Erba | 412672 | PRECAUCIÓN. Éter dietílico RS - Para HPLC - Grado isocrático - No estabilizado 2,5 L |
| Acetato de etilo | Panreac | 1313181211 | ATENCIÓN. El acetato de etilo (Reag. USP, Ph. Eur.) para el análisis, ACS, ISO |
| Alcohol etílico absoluto | Carlo Erba | 4146072 | PRECAUCIÓN. Etanol absoluto anhidro RPE - Para análisis - ACS - Reag. Ph.Eur. - Reag. USP 1 L |
| Embudo de vidrio | VidraFOC | DURA.2133148 1217/1 | |
| Tubo de vidrio | VidraFOC | VFOC.45066A-16125 | Tubo de vidrio con tapón de PTFE recuperado |
| Metanol | Carlo Erba | 412722 ATENCIÓN. Metanol RS - Para HPLC - ORO - Grado ultragradiente 2,5 L | |
| Hidrato de ácido molibdatofosfórico | Merck | 51429-74-4 | ATENCIÓN. |
| Reactivo de aerosol azul de molibdeno, 1.3% | Sigma | M1942-100ML | PRECAUCIÓN. |
| n-hexano | Carlo Erba | 446903 PRECAUCIÓN. n-Hexano 99% RS - ATRASOL - Para análisis de trazas 2.5 L | |
| n-nitroso-n-metilurea | Sigma | N4766 | PRECAUCIÓN |
| Plataforma de agitación orbital | DDBiolab 995018 | NB-205L incubadora de agitación de sobremesa | |
| Éter de petróleo (60-80º C) | Carlo Erba | 427003 | PRECAUCIÓN. Éter de petróleo 60 - 80° C RPE - Para análisis 2,5 L |
| Pulverizador | VidraFOC | 712/1 | |
| Sulfato de sodio anhidro | Merck | 238597 | |
| Ácido sulfúrico 95-97% | Merck | 1007311000 | ATENCIÓN. Cámara de ácido sulfúrico 95-97% |
| TLC | Merck | Z204226-1EA | Tanques de desarrollo TLC rectangulares, L y tiempos completos; H y tiempos; W 22 cm y veces; 22 cm y tiempos; Placa TLC de 10 cm |
| Merck | 1057210001 | TLC SilicaGel 60- 20x20 cm x 25 u | |
| Calentador de placas TLC | CAMAG | 223306 | CAMAG Calentador de plataforma TLC III |
| Tolueno | Carlo Erba | 488551 | ATENCIÓN. Tolueno RPE - Para análisis - ISO - ACS - Reag.Ph.Eur. - Reag.USP 1 L |
| Vortex | Fisher Scientific | 10132562 | IKA Agitador IKA vó rtex 3 |
| 1-naftol | Sigma-Aldrich | 102269427 | PRECAUCIÓN. |