עבודה זו מפרטת נהלים לזיהוי מהיר של חיידקים באמצעות MALDI-TOF MS. הליכי הזיהוי כוללים רכישת ספקטרום, בניית מסד נתונים וניתוחי מעקב. מוצגות שתי שיטות זיהוי, מבוססות מקדם דמיון ושיטות מבוססות סמנים ביולוגיים.
מאמר שיטה
עבודה זו מפרטת נהלים לזיהוי מהיר של חיידקים באמצעות MALDI-TOF MS. הליכי הזיהוי כוללים רכישת ספקטרום, בניית מסד נתונים וניתוחי מעקב. מוצגות שתי שיטות זיהוי, מבוססות מקדם דמיון ושיטות מבוססות סמנים ביולוגיים.
MALDI-TOF הוכחה ככלי מהיר ואמין לזיהוי חיידקים בסוג ובמינים, ובמקרים מסוימים, ברמות הזן. כלי תוכנה זמינים מסחרית וקוד פתוח פותחו כדי להקל על הזיהוי; עם זאת, לא תואר בספרות צינור ניתוח נתונים אוניברסלי/סטנדרטי. כאן, אנו מספקים הדגמה מקיפה ומפורטת של הליכי זיהוי חיידקים באמצעות ספקטרומטר מסה MALDI-TOF. ספקטרום מסה נאסף מ-15 חיידקים מגוונים שבודדו ממערות קרצ'נר, אריזונה, ארה"ב, וזוהו על ידי ריצוף 16S rDNA. מאגרי מידע נבנו ב-BioNumerics 7.1. בוצעו ניתוחי מעקב של ספקטרום מסה, כולל ניתוחי אשכולות, התאמת שיא וניתוחים סטטיסטיים. הזיהוי בוצע באמצעות דגימות מקודדות עיוורות שנבחרו באופן אקראי מבין 15 החיידקים הללו. מוצגות שתי שיטות זיהוי: שיטות מבוססות מקדם דמיון ושיטות מבוססות סמנים ביולוגיים. התוצאות מראות ששתי שיטות הזיהוי יכולות לזהות את החיידקים ברמת המין.
ספקטרומטריית מסה (MS) בסיוע לייזר בעזרת מטריקס (MALDI-TOF) הוכחה ככלי מהיר ואמין לזיהוי חיידקים בסוג, במין, ובמקרים מסוימים, ברמות הזן1-4. MALDI-TOF MS מיינן מולקולות ביולוגיות (בדרך כלל חלבונים) שמקורן במשטחי תאים, ממברנות תוך-תאיות וריבוזומים מתאי חיידקים שלמים או תמציות חלבון1,5. הפסגות המתקבלות יוצרות דפוסים אופייניים או "טביעות אצבע" של החיידקים שנותחו1. זיהוי חיידקים מבוסס על "טביעות אצבע" אלה.
שתיים מאסטרטגיות הזיהוי הנפוצות ביותר הן אסטרטגיות מבוססות ספרייה וביואינפורמטיקה1. גישות מבוססות ספרייה כוללות השוואת ספקטרום המסה של לא ידועים לספקטרום המסה שנאסף בעבר של חיידקים ידועים במאגרי מידע/ספריות לזיהוי. תוכנות זמינות מסחרית, כגון חבילות תוכנה BioNumerics, Biotyper ו-SARAMIS, כמו גם כלי תוכנה בקוד פתוח, כגון SpectraBank6, זמינות כדי להקל על השוואה וכימות של דמיון בין ספקטרום מסה של לא ידוע וחיידקי ייחוס. גישות מבוססות ביואינפורמטיקה מסתמכות בדרך כלל על גנומים מרוצפים במלואם של חיידקים לצורך זיהוי. בניגוד לגישות מבוססות ספרייה שאינן כרוכות בזיהוי האופי הביולוגי של פסגות מסוימות, גישות מבוססות ביואינפורמטיקה כוללות זיהוי חלבונים1.
רוב המחקרים האחרונים המבוססים על טביעות אצבע של MALDI השתמשו בגישות מבוססות ספרייה לזיהוי חיידקים1. גישות מבוססות ספרייה דורשות בניית מסדי נתונים והשוואה של הדמיון בין ספקטרום המסה. מחקרים מראים כי הליכים ניסיוניים רבים, כגון מדיום3,7, זמן טיפוח8, שיטת הכנת דגימה3 ומטריצה בשימוש9, משפיעים על ספקטרום המסה המתקבל. יתר על כן, כמה מינים וזנים קרובים מייצרים ספקטרום עם הבדלים עדינים בלבד. לפיכך, גישות מבוססות ספרייה דורשות נהלים סטנדרטיים בקפדנות כדי ליצור ספקטרום מסה הניתן לשחזור בין שכפולים. שינויים קלים בפרוטוקולים עלולים לפגוע ביעילות הזיהוי, במיוחד ברמות תת-המין והזן1,3,10. עם זאת, לא מסדי נתונים שסופקו על ידי היצרן ולא מסדי נתונים מותאמים אישית מדווחים כוללים נהלים מתועדים ויזואלית לבניית מסדי נתונים ו/או יישום של צינור ניתוח נתונים. מסיבה זו, מטרת עבודה זו הייתה לפתח, ליישם ולהדגים נוהל מקיף ומפורט לזיהוי חיידקים מבוסס ספרייה באמצעות MALDI-TOF MS.
בהדגמה זו, ספקטרום מסה של 15 חיידקים שבודדו מסביבה קרסטית (מערת קרצ'נר, אריזונה, ארה"ב) נאספו ויובאו לתוכנה לבניית מסד נתונים של מודל. עיבוד הנתונים וצינור הניתוח פורטו באמצעות מסד הנתונים של המודל. לבסוף, ספקטרום מסה של חיידקים מקודדים עיוורים שנבחרו באופן אקראי מ-15 החיידקים הללו נאסף שוב והושווה לספקטרום הייחוס במסד הנתונים של המודל לזיהוי. התוצאות מראות שניתן לזהות חיידקים בצורה נכונה על סמך מקדמי דמיון או סמנים ביולוגיים פוטנציאליים/מחלקות שיא.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
זהירות: חיידקים לא מזוהים מכל סביבה עשויים להיות פתוגניים ויש לטפל בם בזהירות תוך שימוש בפרוטוקולי בטיחות ביולוגי מתאימים. עבודה עם תרבויות חיות חייבת להתבצע בתוך ארון בטיחות ביולוגי Class II באמצעות בטיחות ביולוגית רמה 2 (BSL-2) נהלים. מידע נוסף על-2 BSL נהלים נגיש במדריך CDC / NIH שכותרתו, "הבטיחות הביולוגית במיקרוביולוגים ויו-רפואיים מעבדות," דפים 33-38. המסמך זמין באופן מקוון http://www.cdc.gov/biosafety/publications/bmbl5/BMBL.pdf. ציוד מגן אישי מתאים (PPE), כוללים חלוקי מעבדה / שמלות, משקפי מגן, כפפות וnitrile או לטקס, חייב להיות משוחק. שיטות מיקרוביולוגיות סטנדרטית ואמצעי זהירות יש אחריו, ופסולת ביולוגית מסוכנת חייבת להיות מושלכת כראוי.
חיידקים המשמשים בהפגנה זו היו מבודדים ממערות Kartchner,AZ, ארצות הברית, מארבע סביבות, כולל speleothem היבש, זרימת אבן, speleothem הלח וטפטוף נטיפים (טבלת 1). כל הבידודים זוהו על ידי רצף 16S rDNA והמשיכו ב -80 מעלות צלזיוס ב -25% גליצרול-R 2 B בינוניים. כל הניסויים הושלמו בRT.
הערה: אנו ממליצים על השימוש באותה שיטת הכנת מדגם לרכוש ספקטרה ההמונית לבניית מסד נתונים וספקטרה ההמונית של אלמונים. שיטת הכנת מדגם הוכחה בעבר להשפיע על איכות ספקטרום ושחזור 3. באמצעות מדגם שיטת הכנה שונה עלול לגרום לזיהוי שגוי של אלמונים, רזולוציה הטקסונומית במיוחד כאשר גבוהה יותר (לדוגמא, ברמת המתח) הוא רצוי.
1. הפקדת ביעד MALDI
זהירות: מספר פרוטוקולים להשיג תמציות חלבון דורשות שימוש בחומצות וממסים אורגניים שחייבים להיות מנוצל בהתאם לguidelines ומידע כלול בגיליונות שלהם בהתאמה חומרי בטיחות (MSDS). PPE המתאים חייב להיות משוחק וישתנה בהתאם לסוג ונפח של כימיקלים המשמש (למשל, חלוקי מעבדה / שמלות, כפפות, משקפי מגן, ויש להשתמש בציוד להגנת נשימה בעת עבודה עם כמויות משמעותיות של ממסים רעילים, דליקים, כגון אצטוניטריל, וחומצות המאכלות, כגון חומצות פורמית וtrifluoroacetic).
2. Mass ספקטרה רכישה
בניית מסד נתונים 3.
ניתוח 4. Mass ספקטרום נתונים
זיהוי 5. חיידקים עם מסד נתונים מותאמים אישית
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מסדי נתונים שנבנו בהפגנה זו היו ארבע רמות, מגבוה ביותר לנמוך ביותר, הכולל את "כל הרמות",, "לשכפל ביולוגי" "מינים" ו- "לשכפל טכני", בהתאמה (איור 1 א). הרמה "הטכנית לשכפל" הכילה את כל ספקטרום העיבוד המקדים של משכפל טכני. "לשכפל הביולוגי" והרמות "מינים" הכילו את מרוכבים הספקטרום (סיכום). "כל הרמות" הכילו את כל הספקטרום לשכפל הטכני, כמו גם את כל הספקטרום המורכב.
נהלי סיכום ספקטרום מוצגים באיו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הפגנה זו הראתה נהלים מפורטים של אפיון וזיהוי של חיידקים באמצעות MALDI-TOF MS ומסד נתונים מותאמים אישית. בהשוואה לשיטות מולקולריות מסורתיות, למשל, שיטות טביעת אצבע רצף 16S rDNA, מבוססות MS MALDI-TOF להקל זיהוי מהיר יותר של חיידקים שונים. בגלל חוסנה, בטכניקה זו נעשתה שימוש נרחב כדי לאפיין חיידקים, וירוסים, פטריות ושמרים מהסביבה ובהגדרות קליניות 1,14-16. יתר על כן, MALDI-TOF MS דווח להרשות לעצמם, ובמקרים מסוימים, ברזולוציה גבוהה הטקסונומית 1. לדוגמא, sp ב.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים Vranckx ו-Janssens הם עובדים של Applied Maths NV, יצרנית תוכנת ניתוח הנתונים המשמשת בסרטון זה. Applied Maths NV סיפקה מודולי תוכנה נבחרים המודגשים בסרטון זה, כמו גם חלק מעלויות הפרסום הקשורות לסרטון זה.
עבודה זו נתמכה על ידי המכללה החדשה לאמנויות ומדעים בין-תחומיים באוניברסיטת אריזונה סטייט, Applied Maths NV, ועל ידי הקרן הלאומית למדע (ROA Supplement to Award No. MCB0604300). כל הדעות, הממצאים, המסקנות או ההמלצות המובעות בחומר זה הן של המחבר/ים ואינן משקפות בהכרח את העמדות של הקרן הלאומית למדע.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| α-cyano-4-hydroxy-cinnamic acid | ACROS Organics | 163440050 | ≥ 97%, CAS 28168-41-8 |
| Bruker FlexControl software | Bruker Daltonics | גרסה 3.0 | |
| Bruker FlexAnalysis תוכנה Bruker | Daltonics | גרסה 3.0 | |
| Bionumerics | מתמטיקה | גרסה 7.1 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה