הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ניתוח של האדם Fucosylated Trisaccharides חלב בהקשר ביוטכנולוגי באמצעות גנטית מקודד ביולוגיים

5.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/59253

⸱

13 באפריל 2019

במאמר זה

סיכום

נתאר כאן את כימות של fucosylated חלב oligosaccharides (קופות החולים) באמצעות ביוסנסור תאים שלמים וזיהוי תפוקה גבוהה. גם נדגים כאן, את העיבוד של פלטפורמה זו לקראת ניתוח זנים לייצור קופות החולים, תוך התמקדות בשיפור את האות לרעש יחס.

תקציר

Oligosaccharides בחלב (קופות החולים) הם פחמימות מורכבות מרכיבים של חלב אם אנושי כי התערוכה בשפע הטבות על בריאות התינוק. עם זאת, אופטימיזציה של סינתזה ביוטכנולוגי שלהם מוגבל על ידי את התפוקה נמוכה יחסית של זיהוי, כימות של חד-סוכר למוטות וחיבורים. טכניקות שגרתיות של ניתוח glycan כוללות שיטות כרומטוגרפי/מסה-spectrometric עם תפוקה של הסדר מאות דוגמאות ליום ללא אוטומציה. נדגים כאן, של ביוסנסור חיידקי מקודדים גנטית תפוקה גבוהה, הצמדה ספציפי זיהוי, כימות של מבנים fucosylated קופות החולים, 2'-fucosyllactose 3-fucosyllactose, אשר השגנו ויה heterologous ביטוי של fucosidases. משום הנוכחות של לקטוז בחלב או בתהליכים הביו-טכנולוגיה עלול לגרום תוצאות חיוביות שגויות, אנחנו גם להוכיח ההפחתה של האות מ לקטוז באמצעות אסטרטגיות שונות. בשל התפוקה הגבוהה של טכניקה זו, תנאי ריאקציה או ביוריאקטור פרמטרים רבים יכול להיות לבדיקה במקביל תוך מספר שעות, המאפשרות אופטימיזציה של קופות החולים הייצור.

מבוא

Oligosaccharides בחלב (קופות החולים) הם לקטוז, נגזר oligosaccharides, הכוללת בדרך כלל 3 עד 8 סוכר מונומרים. הם יש לקטוז (גל-β1, 4-Glc) הפחתת בסוף, הם עוד יותר מאורך על-ידי קישורים glycosidic (β-1, 3 - או β-1, 6-) (Glc) גלוקוז, גלקטוז (Gal) או N-acetylglucosamine (GlcNAc). בנוסף, fucose (Fuc, α-1, 2 - או α-1, 3-) או חומצה sialic (Sia או NeuAc, α-2, 3 - או α-2, 6-) שאריות לעיתים קרובות נוספות1.

הניתוח הנוכחי של oligosaccharides ופחמימות אחרות מוגבל התפוקה ואת היקף על ידי הצורך כרומטוגרפי/מסה spectrometric (MS) טכנולוגיה2,3,4,5, 6 , 7, אשר יכול לקחת בערך שעה עבור דגימה, שלא לדבר על הצורך של ציוד יקר, עמודות מיוחדים סוכנים derivatizing, ואת המומחיות על המבצע של ציוד זה8. פחמימה # מיון הפחמימות קישורים קשים במיוחד לקבוע, הדורשים MS מתקדם9,10 או טכניקות תהודה מגנטית גרעינית (NMR)11. אופטימיזציה מהירה של סינתזה של אלה oligosaccharides ובכך מוגבל על ידי התפוקה של שלב זה אנליטי איטי.

במחקר זה, נדגים זיהוי ספציפי הצמדה של fucosylated trisaccharide קופות מבוססות-לקטוז, התמקדות 2'-fucosyllactose (2'-פל) הנמצא שקמתי הנפוץ ביותר בחלב, באמצעות מקודדים גנטית Escherichia coli כל התא ביוסנסור עם מגבלה של זיהוי-4 מ ג/ל' תכונה חשובה של ביוסנסור זו, היא יכולתה להבחין בין isomeric trisaccharides. עקרון העיצוב מבוסס על הביטוי של fucosidases ספציפי ב e. coli זה לשחרר לקטוז של קופות חולים, הנוכחות של אשר הוא זוהה על ידי הלקטוז, אשר בתורו מפיק אות ניאון . נוכל להשיג זאת על ידי בניית מערכת דו-פלסמיד, אחד מסתיר את fucosidase ספציפיים הצמדה והשני חלבון כתב פלורסנט. הפלטפורמה ביוסנסור מתאימה להקרנה תפוקה גבוהה על-ידי cytometry זרימה או מיקרו-plate הקורא. אנחנו גם להוכיח את הניצול של החיישן ב לכימות 2'-FL המיוצר על ידי זן מהונדסים12. במסגרת מחקר זה, אנו מציגים גם שלוש אסטרטגיות על הסרה סלקטיבית של לקטוז שיכול לגרום אות חיובי כוזב החיישן, בהתחשב בכך המתח מפיק מהונדסים התרגלתי לקטוז.

יחדיו ביולוגיים מקודדים גנטית מאפשרים לנו לזהות ולכמת קופות החולים באופן ספציפי הצמדה, אשר קשה אפילו עם כרומטוגרפי, MS, או NMR טכניקות. בשל תפוקה גבוהה שלה קלות שימוש, שיטה זו צריך יישומים נפוצים הנדסה מטבולית, סינתזה של קופות החולים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. תרבות התא ותנאי אינדוקציה

הערה: בניסויים הבאים, שלושה זנים משמשים: e. coli BL21 (DE3) עם וקטור ריק, e. coli BL21 (DE3) עם פלסמידים pAfcA14 ו- pET28:green חלבון פלואורסצנטי (GFP), e. coli BL21 (DE3) עם פלסמידים pAfcB14 ו- pET28:GFP. כל הזנים גדלים מרק לוריא-Bertani (LB) או תקשורתי מזערי באנטיביוטיקה מתאימה. להכין מלאי פתרונות של 1,000 x kanamycin (50 מ"ג/מ"ל), carbenicillin (100 מ"ג/מ"ל) ביונים (DI) מים.

  1. הכנה מדיה
    1. להכין LB מדיה על-ידי הוספת 25 אלף מניות אבקת LB 1 ליטר של מים DI. אוטוקלב הפתרון ב 121 מעלות צלזיוס במשך 20 דקות לחטא. לחכות עד הטמפרטורה מדיה LB סטיריליים מתחת 60 ° C לפני תוספת של 1 µL אנטיביוטי במניה כל 1 מ"ל של מדיה ליברות.
    2. כדי להכין צלחות ליברות, להוסיף 15 גרם אגר התקשורת LB שלפני החיטוי. לחכות עד הטמפרטורה אגר LB סטיריליים מתחת 60 ° C לפני חיבור של אנטיביוטיקה.
    3. 1.1.3 עבור התאים biosensing, להכין מדיה או צלחות עם אנטיביוטיקה כפול, kanamycin, carbenicillin.
  2. פחמימות inducers
    1. להכין מלאי פתרונות של inducers פחמימות-המקבילה טוחנת 20 g/L של לקטוז: 29 g/L 2'-FL, קומה 3
      הערה: כל µL 200 של תאים ידרוש µL 20 2'-FL או קומה 3
    2. זירוז µL 200 של תאים עם 2.0 g/L הריכוז הסופי של לקטוז או 2.9 g/L הריכוז הסופי של Incubate 2'-פל/3-קומה ב 37 מעלות צלזיוס ברעידות רציפה ותנו תרבויות לגדול בין לילה.
  3. תרבית תאים
    1. יום לפני הניסוי זרע מ ל LB בינוני בתוספת kanamycin, carbenicillin של מושבת חיידקים טריים, בטכניקה סטרילי.
    2. דגירה בכל התרבויות ב 37 ° C עם עצבנות ולגדול התרבויות בין לילה.
    3. להעביר 50 µL של תרבות לילה 5 מ של מדיה ליברות/M9 טריים עם kanamycin, carbenicillin. דגירה ב 37 מעלות צלזיוס ברעידות רציפה וגדל עד התרבות הגיעה צפיפות אופטית על 600 nm (OD600) של 0.5-0.7. בשלב זה יומן אמצע, התאים יכולה להיגרם.

2. מדידת קרינה פלואורסצנטית ומגבלות של זיהוי

  1. הכנה של תאים עבור cytometry זרימה
    1. להעביר את התרבויות לילה 1.5 mL צינורות, צנטריפוגה ב 12,500 x g עבור 1 דקות.
    2. למחוק את תגובת שיקוע, מחדש להשהות בגדר ב 500 µL של 1 x באגירה פוספט תמיסת מלח (PBS; 6 מ מ נה2HPO4, 1.8 מ"מ NaH2PO4, 145 מ"מ NaCl במים DI, pH 7.2) להכין השעיה תא בודד ולהעביר התא הבודד ההשעיה ל מ ל צינורות cytometry זרימה.
    3. להשאיר את התאים באפלה ב 4 ° C עד פועל הדגימות cytometer זרימה. לקבלת תוצאות מיטביות, לנתח את התאים בהקדם האפשרי.
    4. בחר 488 ננומטר לייזר כדי לרגש GFP. איסוף fluorescein isothiocyanate (FITC) רמות קרינה פלואורסצנטית (20,000 – 40,000 אירועים, פיקוח על פיזור קדימה ואת הצד להימנע מצטברים תאים ופסולת) עם מסנן bandpass 525/50 ננומטר.
  2. . מכיילת את החיישן
    1. כדי לבצע עקומת כיול, בצע 8-10 דילולים של תקן 2'-הרצ ב הרוסים בטווח 0 – 2,500/ל'
    2. התרבות התאים biosensing 2'-פל (המכילים pAfcA ו- pET28:GFP), זירוז אותם עם דילולים רגיל, כפי שתואר לעיל בסעיף 1.3. משכפל ביולוגי שלושה עבור כל דילול לבצע.

3. זיהוי, כימות של 2'-FL בזן מפיק

  1. טיפוח של מפיק זן
    1. להכנת תקשורתי מזערי, להכין פתרונות נפרדים של 1 מ' K-2-HPO-4, מכל4·7H2O, סודיום ציטרט, תיאמין 1 מ'-HCl. לחטא את הפתרונות באמצעות מסנן 0.22 מיקרומטר. מיקס מדיה M9 אבקת מרק עם 1 ליטר מים DI. אוטוקלב הפתרון M9 ב 121 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות מגניב הפתרון עד 50 מעלות צלזיוס. הוסף MgSO4, CaCl2, K2HPO4, מכל4·7H2O, סודיום ציטרט, ו תיאמין ריכוזי הסופי של 2 מ מ, 0.1 מ מ, 12 g/L, 11 מ ג/ליטר, 75 מ ג/ליטר ו- 7.5 µg/L, בהתאמה.
    2. התחל תרבות של 2'-FL בהפקת זן, למשל, JM109 gwBC-F2, ב 5 מ ל LB מדיה ולתת לו לגדול בין לילה ב 37 ° C, כפי שמתואר באומגרטנר et al.12.
    3. תת-תרבות ב 1% כפי שמתואר בתחילת שלב 1.3.3 ב 250 מל של התקשורת מינימלי מוכן בשלב 3.1.1. להוסיף גליצרול ריכוז סופי של 10 גרם/ליטר, דגירה התרבות ב 37 º C.
    4. התרבות מגיעה עם יתר600 של 0.5-0.7, להוסיף איזופרופיל β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) ריכוז סופי של 0.5 מ מ, לקטוז כדי ריכוז סופי של 2 גר'/ל'
    5. דגירה ב 37 מעלות צלזיוס ברעידות רציפה ותנו תרבויות לגדול במשך 24 שעות ביממה.
  2. מיצוי של 2'-פל
    1. להעביר את התרבויות לילה צינורות סטרילי 50 מ ל, צנטריפוגה ב x 900 גרם למשך 15 דקות.
    2. 3.2.2 למחוק את תגובת שיקוע והשהה מחדש בגדר במים DI. חזור על השלב שטיפת שלוש פעמים כדי להסיר שאריות לקטוז, סוף סוף מחדש להשהות ב 5 מ ל מים DI.
    3. כדי lyse התליה תא, להשתמש sonicator של 30% כוח ב-30 פעימות s. שמור את התאים על קרח בכל עת.
    4. Centrifuge את התאים lysed עבור 25 דקות ב 2,000 x g. להסיר את תגובת שיקוע, להעביר את זה דרך סטרילי (למשל, 0.22 מיקרומטר) לסנן ואחסן אותו ב 4 ° C עד הניתוח.
  3. כימות עם ביוסנסור
    1. לחסן תרבות של תאים biosensing 2'-FL, בשלב אמצע יומן, זירוז עם תא lysate מקביל משוער ריכוזי 2'-FL נהגה להכין את עקומת כיול כמתואר בסעיף 2.2. לבצע את הכיול חצרו אותו כמו הדגימה כדי להיות מנותח (למשל, תא lysate) על-ידי הוספת דילולים של 2'-פל בקרה (קרי, המפיק-שאינם) מסוננים תא lysate לפני גרימת ביוסנסור תאים.
    2. להפעיל את הדוגמאות על cytometer זרימה. יוצרות עקומת מנה-תגובה מאת התוויית פלט קרינה פלואורסצנטית נגד הריכוז פחמימה # מיון הפחמימות. להשוות את התגובה של הסטנדרטים אל התא lysate.

4. סלקטיבי הסרה של לקטוז

הערה: התאים biosensing רגישים ללקטוז וזה רצוי עבור החיישן לזיהוי קופות החולים באופן סלקטיבי על לקטוז. אסטרטגיה אחת יכלול כביסה של תאים כמתואר בסעיף 3.2. שלוש אסטרטגיות אחרות שיפורטו להלן.

  1. טיפול עם מסחרי מטוהרים β-galactosidase
    1. להמיס lyophilized β-galactosidase על יחידות (ה-FCC לקטאז) 1,000/mL, ב- 1 מ מ MgCl2 או שימוש מסחרי β-galactosidase בפתרון.
    2. כדי לקבוע ריכוז אופטימלי של האנזים הדרוש, לגדול על inoculum של תאים biosensing 2'-FL, זירוז עם לקטוז 2 g/L ו- 2.9 g / L 2'-פל בשלב יומן באמצע.
    3. לתרבויות µL 100, הוסף משתנה של β-galactosidase, עד 12 יחידות, ותנו התרבויות לגדול בין לילה ב 37 מעלות צלזיוס ברעידות רציפה.
    4. למדוד את קרינה פלואורסצנטית כמתואר בסעיף 2.1 ולחשב היחידות האופטימלי של אנזימים הדרושים על-ידי קביעת ריכוז האנזים מינימום על מנת להגיע הרצוי הנחתה של אות.
    5. לתאים 2'-FL בהפקת גדל במשך 24 שעות ביממה, להוסיף יחידות האופטימלי של β-galactosidase, דגירה בין לילה ב 37 º C. להמשיך עם הפרוטוקול לקביעת כייל את 2'-FL כמתואר בסעיף 3.3.
  2. טיפול קדם עם LacZ + מתח
    1. תחילת תרבות 25 מ של 2'-FL בהפקת זן ופעם המושרה בשלב אמצע יומן, דגירה התרבות ב 37 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה.
    2. לחסן e. coli BL21 התרבות (DE3) ב- LB, לגדל את זה לשלב באמצע יומן ב 37 מעלות צלזיוס ולהוסיף 50 מ של התרבות (2:1) התרבות 24 שעות ביממה.
    3. דגירה ב 37 מעלות צלזיוס במשך 3 ח' להמשיך עם הפרוטוקול לקביעת כייל את 2'-FL כמתואר בסעיף 3.3.
  3. לקטוז משקעים עם אתנול
    הערה: סעיף זה מותאמת Matsuki et al.12.
    1. תחילת תרבות 25 מ של 2'-FL בהפקת זן ופעם המושרה בשלב אמצע יומן, דגירה ב 37 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה.
    2. להוסיף שני כרכים של 100% אתנול לתרבות, לנער היטב, דגירה ב 37 מעלות צלזיוס במשך 4 שעות.
    3. Centrifuge המתלים ב x 900 גרם במשך 15 דקות לאסוף את תגובת שיקוע, דגירה בין לילה ב 4 ° C, אשר ארגונייט שוקע של לקטוז.
    4. הסר את לקטוז precipitated על-ידי העברת הפתרון דרך נייר פילטר (11 מיקרומטר). לאסוף את פילטרט של זה הוא lysate המכיל את 2'-פל, אשר ניתן לכמת על-ידי המקטע הבא 3.3 התא.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תיכננו ביוסנסור התא כולו ספיציפית 2'-FL שיכול לשמש בשילוב עם ייצור ביוטכנולוגי פחמימה # מיון הפחמימות. זה מסתמך על המחשוף אנזימטי ספציפי של שינוי מסוף סוכרים ליצירת לקטוז וע י הפעלת אופרון הלקטוז, המוביל לביטוי של חלבון פלואורסצנטי כתב תחת מקדם inducible לקטוז, ב proportion כמות של 2'-קומה כדי להדגים ירידה לפרטים שלה הצמדה, 3-fucosyllactose (3-FL), איזומר של, גם נבדקה. המעגל גנטית מכיל שני חלקים: ג'ין fucosidase, afcA או afcB, מונע על ידי יזם מכוננת והתוצאה היא...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

אנו מציגים אסטרטגיה תפוקה גבוהה לאיתור ספציפי הצמדה fucosylated בחלב oligosaccharides. דבר זה הושג על ידי בניית התא כולו ביולוגיים באמצעות הנדסה גנטית e. coli אשר על אינדוקציה עם glycans מסוימים מגיבים אות ניאון. הפרוטוקול מפרט גם על איך החיישן יכול לשמש כדי לזהות ולכמת קופות החולים בזן חיידקי סמויה מהונדסים.

פרוטוקול שלנו מציע יתרונות על פני שיטות אלטרנטיביות בשל תפוקה גבוהה שלה בנוסף שלה הצמדה-ירידה לפרטים בהשוואה לשיטות כרומטוגרפי/MS. המגבלה נמוכה של זיהוי, טווח דינאמי רחב מאפשר מד...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי איווה המדינה אוניברסיטת הפעלה כספים. הקיבולות נשמר מומן בחלקו על ידי ה-NSF Trinect אחוות מנלי Hoppe פרופסורה. T.J.M. מומן בחלקו על ידי קרן דני מלגת הפקולטה ווהן. המחברים תודה איווה המדינה אוניברסיטת Flow Cytometry המתקן את מעבדת המחקר גליקומיקס קק W.M. לקבלת סיוע עם פלורסצנטיות ולימודי LC-MS.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
2'-פוקוסילקטוז קרבוסינת' 41263-94-9
3-פוקוסילקטוז קרבוסינת' 41312-47-4
אגרפישר סיינטיפיקBP9744500
סידן כלורי, דיהידרטפישר סיינטיפיקC79-500
קרבניצילין פישר סיינטיפיקBP26481
דקסטרוז (D-גלוקוז), נטול מיםפישר סיינטיפיקD16-1
ציטומטר זרימהBDFACSCanto Plus RUO
HPLCAgilent Technologies1100 סדרת HPLC מערכת
HPLC עמודהלונהC18 עמודת פאזה הפוכה
KanamycinFisher Scientific
מרק LB, מילר פישר סיינטיפיק12-795-027
לקטוזפישר סיינטיפיק64044-51-5
M9, מלחים מינימליים, 5xסיגמא-אולדריץ'M6030
מגנזיום גופרתי, נטול מיםפישר סיינטיפיקM65-500
MSAgilent Technologiesמלכודת סלקטיבית המונית גלאי SL
נתרן כלוריסיגמא-אולדריץ'7647-14-5
נתרן פוספט דו-בסיסיסיגמא-אולדריץ'7558-79-4
נתרן פוספט מונו-בסיסיסיגמא-אולדריץ'13472-35-0
11815024

מקורות

  1. Ninonuevo, M. R., et al. A strategy for annotating the human milk glycome. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 54 (20), 7471-7480 (2006).
  2. Kailemia, M. J., Ruhaak, L. R., Lebrilla, C. B., Amster, I. J. Oligosaccharide analysis by mass spectrometry: a review of recent developments. Analytical Chemistry. 86 (1), 196-212 (2014).
  3. Royle, L. Chapter 8 - Glycans and Monosaccharides. Liquid Chromatography. , 185-202 (2013).
  4. Shubhakar, A., Reiding, K. R., Gardner, R. A., Spencer, D. I. R., Fernandes, D. L., Wuhrer, M. High-Throughput Analysis and Automation for Glycomics Studies. Chromatographia. 78 (5-6), 321-333 (2015).
  5. Goubet, F., Jackson, P., Deery, M. J., Dupree, P. Polysaccharide analysis using carbohydrate gel electrophoresis: a method to study plant cell wall polysaccharides and polysaccharide hydrolases. Analytical Biochemistry. 300 (1), 53-68 (2002).
  6. Evangelista, R. A., Liu, M. -S., Chen, F. -T. A. Characterization of 9-Aminopyrene-1,4,6-trisulfonate Derivatized Sugars by Capillary Electrophoresis with Laser-Induced Fluorescence Detection. Analytical Chemistry. 67 (13), 2239-2245 (1995).
  7. Jiao, J., Zhang, H., Reinhold, V. N. High Performance IT-MS Sequencing of Glycans (Spatial Resolution of Ovalbumin Isomers). International Journal of Mass Spectrometry. 303 (2-3), 109-117 (2011).
  8. Doherty, M., et al. An automated robotic platform for rapid profiling oligosaccharide analysis of monoclonal antibodies directly from cell culture. Analytical Biochemistry. 442 (1), 10-18 (2013).
  9. Hsu, H. C., Liew, C. Y., Huang, S. -P., Tsai, S. -T., Ni, C. -K. Simple Method for De Novo Structural Determination of Underivatised Glucose Oligosaccharides. Scientific Reports. 8 (1), 5562(2018).
  10. Mank, M., Welsch, P., Heck, A. J. R., Stahl, B. Label-free targeted LC-ESI-MS2 analysis of human milk oligosaccharides (HMOs) and related human milk groups with enhanced structural selectivity. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 411 (1), 231-250 (2019).
  11. Chai, W., Piskarev, V. E., Zhang, Y., Lawson, A. M., Kogelberg, H. Structural determination of novel lacto-N-decaose and its monofucosylated analogue from human milk by electrospray tandem mass spectrometry and 1H NMR spectroscopy. Archives of Biochemistry and Biophysics. 434 (1), 116-127 (2005).
  12. Baumgärtner, F., Seitz, L., Sprenger, G. A., Albermann, C. Construction of Escherichia coli strains with chromosomally integrated expression cassettes for the synthesis of 2’-fucosyllactose. Microbial Cell Factories. 12 (1), 1-13 (2013).
  13. Matsuki, T., et al. A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development. Nature Communications. 7, 11939(2016).
  14. Enam, F., Mansell, T. J. Linkage-Specific Detection and Metabolism of Human Milk Oligosaccharides in Escherichia coli. Cell Chemical Biology. 25 (10), 1292-1303 (2018).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

HMOs פוקוזילטוריםגילוי באמצעות חיישן ביולוגיציטומטריית זרימהסריקה בספיקת גבוהההפרעה של לקטוזבטא-גלקטוסידאזהנדסה גנטיתביטוי ב-E.Coliכימות אוליגוסכרידיםספציפיות לקישור