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
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
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.
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.
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.
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.
2. מדידת קרינה פלואורסצנטית ומגבלות של זיהוי
3. זיהוי, כימות של 2'-FL בזן מפיק
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.
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 ביטוי המכונן של משובטים על וקטור עם רצף אות של pelB מקודד הזרם של הגן fucosidase להקל על ייצוא periplasmic, כמו גם מערכת הכתב פלורסנט המכיל את המקדם T7 נהיגה ביטוי של ה-GFP. החלק הראשון מבוטא על פלסמיד pAfcA ומערכת כתב השני על פלסמיד pET28:GFP. הבונה הסופית הפכה e. coli BL21 (DE3), זן הנפוצה כי יש את T7 RNA פולימראז משולב לתוך הגנום תחת שליטה של האמרגן pLacUV5 מגיב לקטוז. איור 1A מציג עיצוב סכמטי כך שהקורא יכול לעקוב אחר עקרון הפעולה של החיישן. איור 1B ממחיש את האות פלורסנט בתנאים שונים האינדוקציה כפי שנותחו על cytometer זרימה. מסתדר עם ההשערה שלנו, על עלייה 100-fold קרינה פלואורסצנטית נצפתה עם החיישן 2'-FL בהשוואה הפקד וקטור בלבד או את החיישן עבור 3-קומה זה מראה הצמדה-יחודיות גבוהה של החיישן. כדי להבטיח כי האות הוא אכן בשל defucosylation, רצנו פקד על-ידי הוספת מסחרי α-1, 2-fucosidase לתרבות במהלך אינדוקציה, אשר אושר כפי שמוצג בסורגים בצד הימין. הרגישות של וזמינותו יכול להיקבע על ידי יצירת עקומת מנה-תגובה עם משתנה רמות פחמימות (איור 2 א). מן העלילה, הטווח הדינמי ליניארי של זיהוי 2'-FL הוא בין 40 ו 400 מ"ג/L וכן מהמגבלה של זיהוי הוא 4 מ ג/ל' Assay זה יכול להתבצע במהלך יום העבודה, כפי שהראה את המידות תצלום בזק של הדינמיקה של הכתב ביטוי (איור 2B).
לבסוף, אנו מציגים כיצד ניתן להשתמש כדי לזהות ולכמת 2'-FL מ זן מפיק מהונדסים-2' FL התאים biosensing. מאז זה זן משתמשת לקטוז כמו מצע, פיתחנו אסטרטגיות כדי להפחית את האות של לקטוז אקסוגני כך המדידה האות מתכתב ישירות לריכוז 2'-פל (איור 3 א). אסטרטגיה אחת היא enzymatically לבזות את לקטוז באמצעות β-galactosidase שאינה לפעול על לקטוז ששונה. זו יכולה להיות מושגת באמצעות β-galactosidase מסחרי מעדיפים הפועל על לקטוז, הפחתת האות לקטוז ל-20% המקורי (איור 3B) או באמצעות דגירה עם LacZ + זן, פראי-סוג BL21 (DE3), אשר תוך 3 שעות טיפות של חלב (לקטוז) אות לרמות רקע (איור 3C). אסטרטגיה האחרונה מנצל אתנול, אשר לא רק באופן סלקטיבי ארגונייט שוקע לקטוז אלא גם lyses את התאים מפיק, פירוק התא להיות הכרחי צעד במורד הזרם (איור תלת-ממד). זהו תהליך החילוץ פשוטות, אך להקפיד בשל התאוששות נמוך של 2'-FL לעומת שיטות אחרות, ואולי מפני הפסדים בשל כמה התגבשות של 2'-קומה למרות התוספת של אתנול, לא נתבונן עיכוב משמעותי של צמיחה של תאי biosensing, סביר להניח כי ריכוזי אתנול הסופי נמוכים (< % 2, וי/v) בתרבויות. לבסוף, השיטה יעילה ביותר, אך גוזלת זמן שנדגים היא גלולה. ולשטוף את התאים לפני פירוק התא כדי לשחרר את תאיים 2'-פל (איור 3E). אנו מייעצים הקורא לנהוג בחשאיות על בחירת השיטה המתאימה להסרת לקטוז בהתבסס על יעילות וזמינות של ריאגנטים וזמן.
איור 3E גם מדגים את היכולת שלנו בצורה אמינה לכמת 2'-FL בהקשר הביו-טכנולוגיה. אנחנו תרבותי או מהונדסים 2'-פל-בהפקת זן11 או של fucosyltransferase שליליות מוטציה (בקרה שלילית) עם לקטוז כדי לפקח על הייצור של 2'-FL תא lysate. לאחר culturing התאים, מדדנו את הריכוז באמצעות ביוסנסור והן ביצועים גבוהים כרומטוגרפיה נוזלית (HPLC) עבור אימות (משלים איור 1). עקומות תגובת המינון מפיק lysate ובקרה lysate עם 2'-FL דומים מאוד, אשר מדגים מדידה כמותית של 2'-FL בהקשר של התא lysate.

איור 1: סכימטי של 2'-FL ביוסנסור עיצוב, נציג נתונים. (א) 2'-Fucosyllactose (2'-פל) מזין את periplasm חיידקי, מומר על-ידי fucosidase heterologously ביטוי לקטוז. לקטוז הוא מועבר אל הציטופלסמה, המרה allolactose. פעולה זו מפעילה את מקדם LacUV5 מקורי ב- e. coli BL21 (DE3), בהפקת T7 RNAP, אשר transcribes GFP תחת מקדם T7, המוביל אל ביטוי חלבון פלואורסצנטי. (B) זיהוי של 2'-פל ו 3-קומה תאים המכילים pET28:GFP, pAfcA (ירוק), pAfcB (מגנטה) או פקד וקטור ריק (כחול) היו המושרה למשך הלילה עם לא סוכר, 2'-FL, 2'-חליל הוסיף exogenously α-1, 2-fucosidase, 3-FL או לקטוז. כל הנתונים נמצאים בממוצע שלוש משכפל ביולוגי שאחד ניתח דולר, כאשר קווי שגיאה מייצגים סטיית תקן מן הממוצע. מובהקות סטטיסטית נקבע ע י מבחן השוואה מרובים של Tukey, * * מעידה על p < 0.01. דמות זו תחילה הופיע Enam, מנסל14 , שימוש חוזר עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2: אפיון ביוסנסור לגילוי 2'-FL- (א) גבולות של פונקציות איתור והעברה של ביולוגיים. תגובת ' עקומות ' המתאר פלורסצנטיות רשע pAfcA/2 ' פל (עיגול ירוק) או בקרה הריק וקטור (היהלום הכחול)-כמויות משתנות של 2'-FL תרבותי. (B) מסלול הזמן הביטוי העיתונאי. זן pAfcA, נדגרה עם 2'-פל (ריבוע ירוק), קרינה פלואורסצנטית נוטרו מעל 8 שעות האינדוקציה. PAfcA זן מתפשט עם לקטוז נכלל בתור פקד. כל הנתונים נמצאים בממוצע שלוש משכפל ביולוגי שאחד ניתח דולר, כאשר קווי שגיאה מייצגים סטיית תקן מן הממוצע. דמות זו תחילה הופיע Enam, מנסל14 , שימוש חוזר עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3: זיהוי, כימות של 2'-FL מ זן מפיק. זרימת עבודה (A) הממחיש את השימוש החיישן ב פרוטוקול פשוט עם התמקדות מפתח הסרת רעש שיורי לקטוז. (B) הסרה של לקטוז על ידי β-galactosidase עיכול אנזימטי. תרבויות המכיל 0.3% 2'-פל (ריבוע ירוק) או 0.2% לקטוז (העיגול הכחול) היו מודגרות עם תרבויות ביוסנסור המכיל כמויות משתנות של β-galactosidase אקסוגני בזמן אינדוקציה היו לבדיקה עבור קרינה פלואורסצנטית לאחר דגירה בין לילה. (ג) הסרה של לקטוז על ידי דגירה עם פראי-סוג LacZ + זן. LB המכיל 0.3% 2'-פל (עיגול ירוק), 0.2% לקטוז (רבוע כחול) או תערובת 1:1 (0.2% לקטוז המקביל, קרי, לקטוז 0.1% + 0.15% 2'-FL, מגנטה משולש), נדגרה על במועדים שונים עם BL21 תאים (DE3), ולאחר מכן נוסף תרבויות ביוסנסור פלורסצנטיות מדידה לאחר דגירה בין לילה. (ד) משקעים של פירוק לקטוז ותא על ידי רעלני אתנול. Fermentations של JM109 gwBC-F2 (עיגול בצבע ארגמן) או תאים gwBC (משולש כחול) JM109 היו מודגרות עם 2 כרכים של אתנול, סינון לפני הדגירה עם תאים ביוסנסור פלורסנט, לעומת זריחה של לא מטופל JM109 gwBC-F2 תרבות ( ריבוע ירוק). (E) כימות של 2'-FL תא lysate. החיישן הוערך ביכולתה לזהות 2'-FL מ זן מפיק סמויה מהונדסים. מדידות קרינה פלואורסצנטית שנוצר על ידי תוספת של הגולמי lysate של JM109 gwBC-F2 (עיגול בצבע ארגמן, 2'-FL כמו כימות מאת LC-MS), 2'-FL בסכומים המוגדרים לאמץ nonproducer JM109 gwBC תא lysate (ריבוע ירוק) או גולמי lysate של JM109 gwBC זן (כחול יהלום). התוצאות היו אומת על-ידי HPLC כימות של 2'-FL במפיק זן. כל הנתונים נמצאים בממוצע שלוש משכפל ביולוגי אחד ניתח שהפקידים, קווי שגיאה אנכי לייצג סטיית תקן בין ידי קרינה פלואורסצנטית רשע ואיפה קווי שגיאה אופקי לייצג סטיית התקן של 2'-פלורידה נמדדת ב- hplc, קורס triplicates. דמות זו תחילה הופיע Enam, מנסל14 , שימוש חוזר עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
משלימה איור 1: HPLC-MS ניתוח של 2'-קומה (א) לחלץ יון chromatograms של 2'-פל (מ/z 511). Chromatogram ברמה מסחרית מוצג על גבי. Chromatogram של 2'-FL בגלל הלחץ JM109gwBC-F2 (דילול 10-fold) מוצג בתחתית. הפסגה ב מ 511/z הוא הנתרן adduct. (B) – הגדלה של ספקטרום מסה m/z מן 300−800, איפה האותות הנפוץ ביותר היו מרוכזים מוצג עבור תקן מסחרי (למעלה) ו- 2'-הרצ מן המתח מפיק (למטה). עיקול רגיל (ג) A נוצר על ידי ניתוח LC-MS עם רמות משתנות של מסחרי-2' קומה קווי שגיאה מייצגים סטיות תקן מן המידות triplicate. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
המחברים אין לחשוף.
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.
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.
| 2'-פוקוסילקטוז | קרבוסינת' | 41263-94-9 | |
| 3-פוקוסילקטוז | קרבוסינת' | 41312-47-4 | |
| אגר | פישר סיינטיפיק | BP9744500 | |
| סידן כלורי, דיהידרט | פישר סיינטיפיק | C79-500 | |
| קרבניצילין | פישר סיינטיפיק | BP26481 | |
| דקסטרוז (D-גלוקוז), נטול מים | פישר סיינטיפיק | D16-1 | |
| ציטומטר זרימה | BD | FACSCanto Plus RUO | |
| HPLC | Agilent Technologies | 1100 סדרת HPLC מערכת | |
| HPLC עמודה | לונה | C18 עמודת פאזה הפוכה | |
| Kanamycin | Fisher Scientific | 11815024 | |
| מרק LB, מילר | פישר סיינטיפיק | 12-795-027 | |
| לקטוז | פישר סיינטיפיק | 64044-51-5 | |
| M9, מלחים מינימליים, 5x | סיגמא-אולדריץ' | M6030 | |
| מגנזיום גופרתי, נטול מים | פישר סיינטיפיק | M65-500 | |
| MS | Agilent Technologies | מלכודת סלקטיבית המונית גלאי SL | |
| נתרן כלורי | סיגמא-אולדריץ' | 7647-14-5 | |
| נתרן פוספט דו-בסיסי | סיגמא-אולדריץ' | 7558-79-4 | |
| נתרן פוספט מונו-בסיסי | סיגמא-אולדריץ' | 13472-35-0 |