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
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Ivanna Karina Olivares-Marin1, Juan Carlos González-Hernández2, Carlos Regalado-Gonzalez1, Luis Alberto Madrigal-Perez3
1Department of Chemistry,Universidad Autónoma de Querétaro, 2Department of Biochemical Engineering,Instituto Tecnológico de Morelia, 3Department of Biochemical Engineering,Instituto Tecnológico Superior de Ciudad Hidalgo
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
כאן אנו מציגים פרוטוקול כדי להעריך את חילוף החומרים בדרכי הנשימה, fermentative על-ידי התאמת הגידול האקספוננציאלי של האפייה למשוואה צמיחה אקספוננציאלית. חישוב הפרמטרים קינטי מאפשר להקרנה של השפעות של חומרים/תרכובות תסיסה או מיטוכונדריאלי נשימה.
שמר האפייה תאים בשלב מעריכי לקיים את הצמיחה שלהם על-ידי הפקת ATP באמצעות תסיסה ו/או מיטוכונדריאלי נשימה. ריכוז פחמן בהתססה של מושל בעיקר איך תאי השמרים מייצרים ATP; לפיכך, הוריאציה ברמות פחמימות בהתססה של כוננים חילוף החומרים האנרגטי של cerevisiae ס. מאמר זה מתאר שיטה תפוקה גבוהה המבוססת על צמיחת שמרים מעריכי כדי להעריך את ההשפעות של שינויי ריכוז והטבע של מקור פחמן על חילוף החומרים הנשימה ואת fermentative. הצמיחה של cerevisiae נמדד microplate או מנוער חרוט הבקבוק על-ידי קביעת הצפיפות האופטית (OD)-600 ננומטר. לאחר מכן, עקומת גדילה זה נבנה על ידי OD ההתוויה נגד הזמן, אשר מאפשרת זיהוי ובחירה של שלב מעריכית, והוא מצויד עם המשוואה הגידול האקספוננציאלי לקבל פרמטרים קינטי. שיעורי צמיחה ספציפיים נמוך עם גבוה יותר פעמים ההכפלה בדרך כלל מייצגים גידול בדרכי הנשימה. לעומת זאת, שיעור צמיחה ספציפיים גבוה עם התחתון פעמים ההכפלה מצביעים על צמיחה fermentative. ערכי הסף של הכפלת זמן ושיעור צמיחה ספציפיים מוערך באמצעות מחלות בדרכי הנשימה או fermentative ידועים, כמו פחמן בהתססה של מקורות או ריכוז גבוה של סוכרים בהתססה. זה מתקבל עבור כל זן ספציפי. לבסוף, הפרמטרים קינטי מחושב מושווים עם ערכי סף כדי לקבוע אם השמרים מציגה צמיחה fermentative ו/או בדרכי הנשימה. היתרון של שיטה זו הוא הפשטות היחסית להבנת השפעת תרכובת/חומר על חילוף החומרים fermentative או בדרכי הנשימה. חשוב להדגיש כי הצמיחה היא תהליך ביולוגי מסובכים ומורכבים; לכן, המידע הראשוני של שיטה זו חייבת להיות שחלקית כימות של צריכת החמצן והצטברות תוצרי לוואי תסיסה. ובכך, טכניקה זו יכולה לשמש הקרנה ראשוני של תרכובות/חומרים אשר עשויים להפריע או לשפר את חילוף החומרים fermentative או בדרכי הנשימה.
שמר האפייה צמיחה שימש כלי חשוב כדי לזהות עשרות מנגנונים פיזיולוגיים ומולקולרית. צמיחה נמדד בעיקר על ידי שלוש שיטות: טורי דילולים בדיקות ספוט, המושבה יוצרי יחידת ספירה של עקומות גדילה. שיטות אלה ניתן להשתמש לבד או בשילוב עם מגוון רחב של סובסטרטים, תנאים סביבתיים, מוטציות, כימיקלים לחקור תגובות ספציפיות או פנוטיפים.
נשימה מיטוכונדריאלי היא תהליך ביולוגי שבו קינטיקה גידול יושם בהצלחה על גילוי מנגנוני לא ידוע. במקרה זה, תוספת של צמיחה מדיה עם פחמן בהתססה של מקורות כגון גליצרול, לקטאט או אתנול (אשר הם מטבוליזם באופן בלעדי על ידי נשימה מיטוכונדריאלי), כמו המקור פחמן ואנרגיה הבלעדי מאפשר להעריך הצמיחה בדרכי הנשימה, וזה חשוב. לזהות לפליטת זרחון חמצוני פעילות1. מצד שני, זה מסובך להשתמש גידול קינטית מודלים כשיטה עבור פיענוח המנגנון מאחורי תסיסה.
המחקר של תסיסה ונשימה מיטוכונדריאלי חיונית כדי להבהיר את המנגנונים המולקולריים מאחורי פנוטיפים מסוימים כגון קרבטרי, ורבורג אפקטים2,3. האפקט קרבטרי מאופיין על ידי גידול של שטף glycolytic, דיכוי של הנשימה מיטוכונדריאלי, ואת הקמתה של תסיסה כנתיב העיקרי ליצירת ATP בנוכחות ריכוזים גבוהים של בהתססה של פחמימות (> 4,0.8 מ מ)5. ורבורג הוא אנלוגי סמויה על אפקט קרבטרי, כאשר ההבדל בכך בתרבית של תאים, המוצר העיקרי של תסיסה הוא לקטט6. אכן, ורבורג מוצגת על ידי מגוון של תאים סרטניים, מפעילה ספיגת הגלוקוז וצריכת אפילו בנוכחות חמצן7. ובכך, ללמוד את הבסיס המולקולרי של המתג של נשימה כדי תסיסה האפקט קרבטרי יש גם השלכות ביוטכנולוגי (לייצור אתנול) וגם השפעות אפשריות בחקר הסרטן.
Cerevisiae ס הצמיחה עשויה להיות כלי מתאים כדי לחקור את ההשפעות קרבטרי, ורבורג. הרעיון זה מבוסס על העובדה כי בשלב מעריכי שמרים, משעולים המרכזי שימוש להפקת ATP הם נשימה מיטוכונדריאלי, תסיסה, המהווה מרכיב חיוני כדי לקיים את הצמיחה. למשל, הצמיחה של cerevisiae בצורה אינטימית קשורה הפונקציה של מסלולים ליצירת ATP. במולקולות cerevisiae ס, מ- ATP מייצרת כ 18 מיטוכונדריאלי נשימה לכל מולקולת גלוקוז, ואילו תסיסה יחולל רק 2 מולקולות ATP, ומכאן הוא צפוי כי קצב הגידול יש קישורים הדוקים עם משעולים חילוף החומרים הפקת ATP8. בהקשר זה, כאשר המסלול העיקרי ליצירת ATP תסיסה, השמרים מפצה על ייצור ATP נמוכה על-ידי הגברת קצב ספיגת הגלוקוז. להפך, צריכת הסוכר על ידי תאי שמרים להשתמש נשימה מיטוכונדריאלי כמקור ATP העיקרי הוא נמוך. אפשרות זו מציינת כי חשוב עבור השמרים ל הגיוני פחמימות זמינות לפני קביעת איך ייווצר ATP. לכן, זמינות גלוקוז ממלא תפקיד חשוב ב הבורר בין תסיסה ונשימה מיטוכונדריאלי ב cerevisiae ס. בנוכחות כמויות גבוהות של גלוקוז, מעדיף השמרים תסיסה כמו הנתיב המרכזי ליצירת ATP. מעניין, השמרים הוא החימוץ, קצב הגידול הספציפי נשמר מקסימום שלה. מצד שני, תחת רמות נמוכות של גלוקוז, cerevisiae ס מייצרת ATP באמצעות נשימה מיטוכונדריאלי, שמירה על שיעורי הצמיחה נמוכה. ובכך, וריאציה בריכוז של גלוקוז ושימוש של מקורות פחמן אחרים לגרום שינויים בהעדפות של השמרים בין צמיחה fermentative, מערכת הנשימה. מאת לוקח בחשבון את העובדה הזו עם המשוואה גידול אקספוננציאלי, הוא יכול להשיג את המשמעות הביולוגית של קינטי פרמטרים כגון הכפלת זמן (Dt) ושיעור צמיחה ספציפיים (ממוצע). לדוגמה, ערכים נמוכים יותר ממוצע נמצאו כאשר השמרים משתמש נשימה מיטוכונדריאלי כנתיב העיקרי. להפך, בתנאים טובה תסיסה, נמצאו ערכים ממוצע גבוהים יותר. מתודולוגיה זו עשוי לשמש כדי למדוד את המנגנונים סביר של כל כימיקלים המשפיעים על תסיסה ונשימה מיטוכונדריאלי ב cerevisiae ס.
מטרת מאמר זה היא להציע שיטה המבוססת על צמיחה קינטיקה לסינון את ההשפעות של תרכובת/חומר נתון על נשימה מיטוכונדריאלי או תסיסה.
1. תרבות המדיה והכנות Inoculum
2. תרבות ומדיה עקומות גדילה ב- Microplate
3. עקומות גדילה מזועזעת מבחנות חרוט
4. עיבוד נתונים וחישוב פרמטרים קינטי
עקומות גדילה יכול לשמש preliminarily להפלות בין פנוטיפים הנשימה ו fermentative ב ס cerevisiae השמרים. לכן, ביצענו תרבויות אצווה של cerevisiae ס (BY4742) עם ריכוזי גלוקוז שונים דווח כי כדי לגרום לצמיחה fermentative: 1%, 2% ו- 10% (w/v)9. תרבויות מציג הפנוטיפ fermentative שלב פיגור קטן ויש שלב מעריכית עם שיעור צמיחה גבוה (איור 1). אתנול, גליצרול ו לקטט הן מקורות פחמן יכול להיות מטבוליזם רק דרך נשימה; לפיכך, אנו לבצע תרביות של השמרים באמצעות אותם מקורות פחמן. תרבויות להשיג אנרגיה בעיקר על ידי זרחון חמצוני הראה עוד שלב ההשהיה וקצב איטי של צמיחה במהלך שלב מעריכית (איור 2).
ניתוח של עקומות גדילה מספקת מידע איכותי בלבד; לפיכך, חשוב לחשב את הפרמטרים קינטי להשיג מידע כמותי. נוכל לחשב את Dt ואת μ באמצעות המשוואה הגידול המעריכי (איור 3). קבענו סף עבור ערכים צמיחה הנשימה ב Dt ≥11.5 μ ו h ≤0.059 קמ. הסף לצמיחה fermentative הוגדר ב Dt ≤6.5 μ ו h ≥0.149 / h (איור 3).
כדי להוכיח את התועלת של כלי סינון זה עיצבנו 3 ניסויים, עם הראשון להערכת השפעת ריכוזים שונים רזברטרול (RSV) על תאים BY4742 cerevisiae ס עם מצב אנרגטי שונה (איור 4) ב מבחנות מזועזעת. הניסוי השני שמטרתו לזהות את השפעת ריכוזים שונים אמוניום סולפט (NH4+) על חילוף החומרים האנרגיה של cerevisiae ס BY4742 (איור 5) ב microplate. לבסוף, השלישי שמטרתם להמחיש כמה שינויים במקור פחמן משפיעים על הצמיחה fermentative לשניים שונים זנים cerevisiae ס (W303 ותעשייתיות WLP530 שימשו התסיסה הבירה) (איור 6). בניסוי באמצעות RSV, המצב האנרגטי תא שונתה על ידי משתנה ריכוז הגלוקוז. גלוקוז 10%, ריכוז RSV כל נבדק לא שינתה את השלב respiro-fermentative של השמרים אך להקטין את שלב הנשימה (במהלך משמרת diauxic, cerevisiae ס מטבוליזם של אתנול שהופק במהלך שלב מעריכי על ידי זרחון חמצוני). ערכי μ אישר כי בתנאים כל נבדק, cerevisiae ס הראו התנהגות fermentative, בניגוד שלה פנוטיפ כאשר גדל ב- 2% גליצרול (תנאי שימוש בפקד הנשימה) (איור 4a). כאשר התאים היו אנרגיה עם גלוקוז 1% בלבד, ערכי μ אישר כי ב 0.1 1, 10, 100 מיקרומטר RSV, התנהגות fermentative בשלב respiro-fermentative לא הושפע. עם זאת, נצפתה ירידה בשלב הנשימה במהלך משמרת diauxic. יתר על כן, על ריכוז של 1,000 מיקרומטר, RSV עכבות לחלוטין צמיחת תאים.
בניסוי השני, היו תאים בתוספת 10% גלוקוז, ריכוז נחשב מספיק כדי לגרום את אפקט קרבטרי cerevisiae ס. לפיכך, אנחנו יכולים לצפות באפקט קידמו את תוספת של ריכוזים שונים של NH4+ fermentative חילוף החומרים. ערכי Dt הציע את 0.13 0.66, 1.99% NH4+ טובה fermentative חילוף החומרים, זה יכול להיות שנצפו בעקומות גדילה ריכוזים אלה מורחב שלב מעריכית של התרבות. בכל זאת, מ"מ 3.31% NH4+, תוספת קבועה בערך Dt הראו כי ריכוז זה המניע של חילוף החומרים respiro-fermentative. פנוטיפ זה הראה שלב השהיה ממושכת עקומות גדילה, קצב צמיחה איטי בשלב מעריכית (איור 5).
בניסוי השלישי, תאים של שניים שונים זנים cerevisiae ס (W303 ו- WLP530) גדלו בריכוזים שונים של סוכרוז או גלקטוז כדי לבדוק אם ההשפעות של מקור פחמן על הערכים Dt תלויי-מתח. כפקד fermentative, שני זנים גדלו ב- 2% גלוקוז, חושבו הערכים Dt כדי לקבוע סף לצמיחה fermentative. Fermentative Dt ערכים עבור הזנים היו שונים, עם ≤3.25 h עבור זן W303 ו≤6.84 h עבור WLP530 המתח. לכן, חשוב להדגיש את הצורך אימות הסף Dt עבור זנים שונים בשימוש. יתר על כן, כאשר סוכרוז שימש כמקור פחמן, הפנוטיפ fermentative נצפתה על 2%-10% לשני הזנים. עם זאת, כאשר שימש גלקטוז, המתח W303 לא הופיע התנהגות fermentative בכל אחד הריכוזים נבדק, בעוד המתח WLP530 הראה הפנוטיפ fermentative ב 2% גלקטוז מעניין, המתח W303 גדלו כל הריכוזים של שני מקורות פחמן נבדק. למרות המתח WLP530 לא הראה צמיחה-הריכוז הנמוך ביותר של פחמן בשימוש (0.01%). זה עשוי להיות מכיוון WLP530 משמש בתעשיית הבירה ריכוזי הפחמן שאליו הוא נחשף הם בדרך כלל הרבה יותר גבוה (איור 6).
בסך הכל, הנתונים מכל אלה 3 ניסויים להוכיח כי עקומות גדילה ופרמטרים קינטי שימושיים האפליה ראשונית בדרכי הנשימה של fermentative צמיחה ב cerevisiae ס. כמו כן, חשוב להדגיש שזהו כלי רב-תכליתי עשוי לשמש בהיבטים שונים של מחקר חילוף החומרים אנרגיה.

איור 1: השפעת ריכוז גלוקוז שונים על פנוטיפ צמיחה cerevisiae ס . עקומות גדילה נבנו על ידי מדידת צפיפות אופטית על 600 nm כל 30 דקות במשך 48 שעות. כאשר תאים cerevisiae ס תסיסה, תרבויות הראה שלב השהיה קצרה בעלת קצב צמיחה מהיר במהלך שלב מעריכית. השלב respiro-fermentative יכול להיות בעקבות צמיחה ההאטה שלב (שלב הנשימה), שבו האתנול המיוצר על ידי התססה עובר מטבוליזם באמצעות מסלול זרחון חמצוני, ואז הגיע השלב נייח. הנתונים מוצגים כמו השגיאה הסטנדרטית זאת אומרת ±. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2: השפעת מקורות פחמן respirable על פנוטיפ צמיחה cerevisiae ס . עקומות גדילה נבנו על ידי מדידת צפיפות אופטית על 600 ננומטר בכל 30 דקות עבור ה 48 תאים של cerevisiae ס הראה השהיה ממושכת שלב בעלת קצב צמיחה איטי במהלך שלב מעריכית, בדרך כלל לא הראתה שינוי diauxic. הנתונים מוצגים כמו השגיאה הסטנדרטית זאת אומרת ±. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3: השפעת המקור פחמן, הריכוז שלו על פרמטרים קינטי cerevisiae ס . () Dt ערכים של cerevisiae ס BY4742 צמיחה תחת מקורות פחמן שונות; (b) ערכי μ צמיחת BY4742 cerevisiae ס תחת ריכוזים שונים של מקורות פחמן מגוונות. הנתונים מוצגים כמו הממוצע ± סטיית התקן. ניתוחים סטטיסטיים בוצעו באמצעות ANOVA בכיוון אחד ואחריו המבחן של Dunnett (*p < 0.01 לעומת 2% גלוקוז). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4: השפעת תוספי resveratrol על מצבי אנרגיה שונים תא. () צמיחה פנוטיפ וערכי μ באמצעות גלוקוז 10%; (b) צמיחה פנוטיפ μ וערכי בגלוקוזה 1%. נתונים עקומות גדילה מוצגים כמו השגיאה הסטנדרטית זאת אומרת ±, ערכי μ מוצגים כמו הממוצע ± סטיית התקן. ניתוחים סטטיסטיים עבור ערכי μ בוצעו באמצעות ANOVA בכיוון אחד ואחריו המבחן של Dunnett [*p < 0.01 vs. בקרת הנשימה עם 2% גליצרול (RC)]. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5: השפעת תוספי אמוניום סולפט על חילוף החומרים של אנרגיה cerevisiae ס . עקומות גדילה נבנו על ידי מדידת צפיפות אופטית על 600 nm כל 30 דקות במשך 48 ה נתונים עקומות גדילה מוצגים כמו השגיאה הסטנדרטית זאת אומרת ±, ואת ערכי μ מוצגים כמו הממוצע ± סטיית התקן. ניתוחים סטטיסטיים עבור ערכים Dt בוצעו באמצעות ANOVA בכיוון אחד ואחריו המבחן של Dunnett [* p < 0.01 vs. בקרת הנשימה עם 2% גליצרול (RC)]. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6: השפעת ריכוז גלקטוז וסוכרוז בחילוף החומרים fermentative של האפייה. () Dt ערכים עבור W303 זן ו- (b) Dt בערכי lab לזן תעשייתי של WLP530. הנתונים מוצגים כמו הממוצע ± סטיית התקן. ניתוחים סטטיסטיים עבור ערכים Dt בוצעו באמצעות ANOVA בכיוון אחד ואחריו המבחן של Dunnett [* p < 0.01 לעומת 2% גלוקוז (פקד fermentative)]. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
המחברים אין לחשוף.
כאן אנו מציגים פרוטוקול כדי להעריך את חילוף החומרים בדרכי הנשימה, fermentative על-ידי התאמת הגידול האקספוננציאלי של האפייה למשוואה צמיחה אקספוננציאלית. חישוב הפרמטרים קינטי מאפשר להקרנה של השפעות של חומרים/תרכובות תסיסה או מיטוכונדריאלי נשימה.
פרויקט זה נתמך על ידי מענקים של Consejo נאסיונאל דה Ciencia y Tecnología (מענק מס ' 293940) ושל Fundación TELMEX-TELCEL (גרנט מספר 162005585), שניהם IKOM.
| שייקר אורביטלי | Thermo Scientific | 4353 | לדגירת חיסון או תרביות חרוט |
| Bioscreen | עקומות גדילה | C MBR | לתרביות אצווה במיקרו-פלטות |
| גלוקוז | סיגמא | G7021 | להכנת מרק YPD |
| פפטון מקזאין, עיכול אנזימטי | סיגמה | 82303 | להכנת מרק YPD |
| תמצית שמרים | סיגמא | 09182-1KG-F | להכנת מרק YPD |
| בקטריולוגי | סיגמא | A5306 | להכנת אגר YPD |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | להכנת מרק SC |
| (NH4)2SO4 | Sigma | A4418 | להכנת מרק SC |
| בסיס חנקן שמרים ללא חומצות אמינו ואמוניום גופרתי | סיגמא | Y1251 | להכנת מרק SC |
| שמרים סינתטיים נשירה תוספי מזון בינוניים | Sigma | Y1501 | להכנת מרק SC |
| אמוניום סולפט גרגירי | J.T. Baker | 0792-R | לדוגמא תוסף בינוני |
| רזברטרול | סיגמה | R5010 | לדוגמא תוסף בינוני |
| גלקטוז | סיגמא | G8270 | לדוגמא של תוסף בינוני |
| סוכרוז | סיגמא | S7903 | לדוגמא לתוסף בינוני |
| אתנול אבסולוט | Merck | 107017 | לדוגמא לתוסף בינוני |
| גליצרול | J.T. Baker | 2136-01 | לדוגמא לתוסף בינוני |
| GraphPad | Prism GraphPad | לניתוח נתונים | |
| מיקרו-צלחות חלת דבש | Thermo Scientific | 9502550 | לתרביות מיקרו-פלטות |