Los análisis proteómicos subcelulares (SCP) juegan un papel fundamental en la dilucidación de la patogénesis bacteriana al analizar el proteoma dentro de compartimentos subcelulares específicos de las células bacterianas. Este enfoque de proteómica subcelular caracteriza las proteínas bacterianas dentro de distintos compartimentos, reduciendo la complejidad al excluir proteínas altamente abundantes y proporcionando información sobre su organización y abundancia proporcional 1,2. Por ejemplo, empleando técnicas de fraccionamiento subcelular y LC-MS / MS, un estudio sobre Shewanella oneidensis reveló una parte sustancial de su proteoma, proporcionando detalles cruciales sobre la arquitectura del compartimento de la abundancia de células y proteínas. Este estudio sirve como marco fundamental para investigaciones posteriores sobre la organización subcelular dentro de bacterias gramnegativas3. En el ámbito de la patogénesis bacteriana, la delimitación del proteoma bacteriano durante la infección in vivo es imperativa para comprender los mecanismos que impulsan la patogenicidad4. La investigación del proteoma de Salmonella intracelular dentro de las células epiteliales en varias etapas de infección ha sido fundamental para revelar las estrategias adaptativas empleadas por los patógenos bacterianos dentro de su medio intracelular 4,5. Las estrategias SCP proporcionan información completa sobre la dinámica celular al evaluar la abundancia y translocación de proteínas dentro de varios compartimentos celulares. Este método facilita la identificación extensiva de proteínas de diversos compartimentos bacterianos, mejorando el análisis exhaustivo de los proteomas bacterianos 6,7.
La distribución subcelular de las proteínas no solo dicta su actividad funcional, sino que también mejora su diversidad funcional8. Por ejemplo, las enzimas exhiben variados mecanismos reguladores y niveles de actividad dependiendo de su localización subcelular. Las transglutaminasas (TGasas), por ejemplo, muestran distintas funciones o mecanismos reguladores en diferentes compartimentos subcelulares en los tubos polínicos: las TGasas citoplasmáticas incorporan aminas primarias en proteínas citosólicas (p. ej., actina y tubulina) de una manera dependiente de Ca (2+), interactuando con el citoesqueleto; las TGasas de membrana están asociadas con Golgi y membranas plasmáticas, lo que sugiere un papel en la administración exocitótica; y las TGasas asociadas a la pared celular regulan el crecimiento apical mediante la colocalización con marcadores de pared celular. Estas distinciones funcionales están mediadas por roles específicos de compartimentos9. Además, la reparación de proteínas oxidadas en la envoltura bacteriana subraya el papel crítico de los sistemas enzimáticos dentro de compartimentos celulares específicos expuestos a especies reactivas de oxígeno10. Considere la óxido nítrico sintasa endotelial (eNOS), cuya localización subcelular es modulada por modificaciones lipídicas, influyendo en su interacción con diversas membranas celulares11. La compartimentación enzimática mantiene distintos ambientes propicios para las interacciones entre enzimas y sustratos, facilitando así los procesos metabólicos específicos del compartimento12.
Las bacterias y otros procariotas no tienen orgánulos subcelulares claros; Hay regiones distintas, que incluyen citoplasma, membrana interna, periplasma y membrana externa. La mayoría de las funciones bioquímicas y fisiológicas del organismo están organizadas en varios compartimentos subcelares13. Por lo tanto, la localización subcelular de las proteínas es importante para predecir sus características funcionales. Sin embargo, la extracción de proteínas subcelulares de bacterias gramnegativas plantea desafíos debido a su compleja bicapa de fosfolípidos de doble membrana. Los métodos de extracción convencionales, que emplean detergentes como el dodecil sulfato de sodio (SDS) y aditivos como la urea, a menudo comprometen la integridad de las proteínas de la membrana, lo que afecta los análisis posteriores14,15. Además, la composición lipídica juega un papel importante en la configuración de las alteraciones conformacionales de las proteínas de membrana. El éxito de la solubilización depende de factores como la relación detergente-lípido-proteína, ya que el proceso implica la inserción de detergente en la bicapa lipídica seguida de la solubilización de proteínas16. La elección del detergente es fundamental para solubilizar eficazmente las proteínas de membrana, teniendo en cuenta factores como la temperatura del punto de turbidez y el tiempo de incubación17. El ambiente lipídico puede influir en los cambios conformacionales de las proteínas de membrana18,19.
Los detergentes son esenciales para extraer las proteínas de membrana de las membranas biológicas y garantizar su solubilidad en soluciones acuosas, un requisito previo para la posterior purificación de proteínas. Sin embargo, la purificación de las proteínas de membrana a menudo es un desafío porque se eliminan de su entorno de membrana lipídica nativa y se colocan en un tampón detergente, que solo replica parcialmente las propiedades físicas y químicas de la membrana20. Después de la extracción, las proteínas de membrana generalmente se purifican en procesos posteriores utilizando diálisis, precipitación de proteínas y algunos métodos de cromatografía como proteínas solubles20,21. La separación de fases ofrece una potente alternativa o complemento a los protocolos de purificación basados en cromatografía y se puede aplicar directamente a las proteínas solubilizadas. Básicamente, la separación de fases permite que las proteínas integrales de la membrana se dividan en proteínas citosólicas y de fase de enriquecimiento de detergente en la fase acuosa agotada por detergente20,22. Se ha descrito que varios detergentes se utilizan en la solubilización de proteínas de membrana en estudios anteriores20. Estos incluyen la familia Triton (Triton X-100 y Triton X-114), la familia Tween (Tween-20 y -80), detergentes aniónicos, detergentes catiónicos, detergentes monoéter de polioxietilenglicol, etc., pero tienen pros y contras en términos de estructura y función de las proteínas20. Las propiedades fisicoquímicas de estos detergentes influyen en gran medida en la partición de fases y la solubilización de las proteínas de membrana20. Los detergentes son moléculas anfipáticas con un grupo de cabeza polar y una cadena de hidrocarburos hidrófobos. En bajas concentraciones, existen como monómeros en el agua. Por encima de la concentración crítica de micelas (CMC), forman micelas cuyo tamaño depende del tipo de detergente, y el número de agregación indica el número de moléculas por micela (también llamado peso molecular de la micela). Otro factor importante es el "punto de enturbiamiento", que se puede alcanzar cambiando la temperatura de una solución acuosa de detergente micelar que se vuelve turbia y eventualmente forma dos fases distintas. Este proceso se conoce como separación de fases o extracción de puntos de enturbiamiento. Un CMC alto puede producir más proteínas de membrana correspondientes a altas concentraciones de detergente con una unión más débil, que se puede dializar contra un tampón con una concentración de detergente definida20. Sin embargo, alcanzar un CMC alto en la mayoría de los detergentes requiere una temperatura de punto de enturbiamiento alta, lo que puede afectar la estructura y función de la proteína extraída y afectar los procesos posteriores. Incluso la alta concentración de detergente en esta fase puede ser perjudicial para las proteínas y crear problemas en la manipulación de líquidos para pipetear un volumen preciso debido a la alta viscosidad. Por ejemplo, el tritón X-100 tiene un alto rendimiento de proteínas de membrana en la micela detergente por encima de la temperatura del punto de enturbiamiento de 64-65 °C. Para mantener la temperatura de trabajo, 9%-23% (NH4)2Así que4 o la adición de NaCl del 16% al 25% se puede reducir a temperatura ambiente (RT), lo que resulta en una alta concentración de detergente, lo que probablemente afecta la estabilidad de las proteínas. Del mismo modo, la extracción basada en Tween utiliza una temperatura de punto de enturbiamiento alta (76 °C para la interpolación 20 y 93 °C para la interpolación 80). El detergente aniónico SDS se usa con frecuencia en aplicaciones de proteínas, pero generalmente desnaturaliza las proteínas20. Los investigadores, con el objetivo de extraer eficientemente las proteínas de membrana, identificaron Triton X-114 como un detergente clásico debido a su temperatura óptima de punto de enturbiamiento de aproximadamente 22 °C, ideal para estudios de proteínas de membrana. Introducido por primera vez por Bordier en 1981, Triton X-114 se ha utilizado ampliamente desde entonces para la extracción y purificación de proteínas de membrana en diversas fuentes, incluidos tejidos animales y vegetales, así como microorganismos20,22. La CMC baja de Triton X-114 evita su eliminación por diálisis; sin embargo, su naturaleza suave minimiza la desnaturalización de las proteínas de membrana en la fase enriquecida con detergente. Además, Triton X-114 forma micelas más pequeñas (n = 7-8) en comparación con Triton X-10020. El protocolo de estudio de James G. Pryde empleó Triton X-114 para la extracción de proteínas de membrana de células de mamíferos cultivadas. Mediante el uso de una temperatura de punto de enturbiamiento superior a 20 °C (incubación a 30 °C durante 3 min), las proteínas integrales de membrana se dividieron en la fase enriquecida con detergente, mientras que las proteínas periféricas y citosólicas se recuperaron de la fase acuosa agotada en detergente22. Además, David A. Haake et al. utilizaron Triton X-114 para extraer proteínas de membrana externa (OMP) de Leptospira interrogans, con y sin CaCl2 como aditivo23,24. Estudios posteriores confirmaron que Triton X-114 extrae eficazmente las OMP de los compartimentos subcelulares sin aditivos como glicerol o CaCl225,26. Sin embargo, la inclusión de sales puede aumentar la concentración de detergente, lo que puede afectar los estudios de proteoma a gran escala que utilizan espectrometría de masas de alto rendimiento20. En nuestro trabajo sobre el análisis del proteoma subcelular, empleamos Triton X-114 junto con espectrometría de masas en tándem, logrando un enriquecimiento significativo en todos los compartimentos subcelulares, incluidas las proteínas citoplasmáticas, de la membrana interna y de la membrana externa25,26. El objetivo principal del presente protocolo es enriquecer eficientemente los compartimentos subcelulares de una célula bacteriana gramnegativa típica al tiempo que minimiza los problemas en los procesos posteriores. Además, el protocolo está diseñado para ser rentable y eficiente en el tiempo. Aquí, elaboramos el protocolo optimizado desarrollado en laboratorio para el aislamiento de proteínas subcelulares y discutimos cada cuello de botella encontrado durante el proceso de extracción.