Questo protocollo presenta un metodo per isolare l'RNA dai biofilm di Pseudomonas aeruginosa cresciuti in vetrini da camera per il sequenziamento ad alto rendimento.
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Articolo metodologico
Questo protocollo presenta un metodo per isolare l'RNA dai biofilm di Pseudomonas aeruginosa cresciuti in vetrini da camera per il sequenziamento ad alto rendimento.
Pseudomonas aeruginosa è un patogeno batterico opportunista che causa infezioni nelle vie aeree dei pazienti affetti da fibrosi cistica (FC). P. aeruginosa è noto per la sua capacità di formare biofilm protetti da una matrice di esopolisaccaridi. Questa matrice consente ai microrganismi di essere più resistenti ai fattori esterni, compreso il trattamento antibiotico. Uno dei metodi più comuni di crescita del biofilm per la ricerca è costituito da piastre per microtitolazione o vetrini a camera. Il vantaggio di questi sistemi è che consentono di testare più condizioni di crescita, ma il loro svantaggio è che producono quantità limitate di biofilm per l'estrazione dell'RNA. Lo scopo di questo articolo è quello di fornire un protocollo dettagliato e passo dopo passo su come estrarre l'RNA totale da piccole quantità di biofilm di qualità e quantità sufficienti per il sequenziamento ad alto rendimento. Questo protocollo consente lo studio dell'espressione genica all'interno di questi sistemi di biofilm.
La maggior parte delle infezioni batteriche croniche, come le infezioni polmonari nei pazienti con fibrosi cistica (FC) e le infezioni correlate alla protesi, sono caratterizzate dalla crescita di organismi all'interno dei biofilm. I biofilm1 sono comunità di batteri racchiusi in una matrice composta principalmente da polisaccaridi2. I batteri all'interno dei biofilm possono essere a crescita lenta, metabolicamente dormienti e in condizioni anaerobiche e ipossiche. I biofilm sono più resistenti agli antibiotici a causa di fattori quali la diminuzione della penetrazione degli antibiotici, l'aumento dell'espressione delle pompe di efflusso dei farmaci e la diminuzione della divisione cellulare3. Per questi e altri motivi, sono di grande interesse per la ricerca.
Al fine di studiare accuratamente le infezioni persistenti come le infezioni croniche da Pseudomonas aeruginosa nei pazienti con FC, le condizioni di crescita osservate con la formazione di biofilm devono essere accuratamente riflesse in vitro. Un metodo comune ad alto rendimento consiste nel coltivarli in vetrini da camera o piastre per microtitolazione e monitorare la formazione di biofilm mediante microscopia confocale4. È noto che un regolatore chiave nella transizione da uno stile di vita planctonico, o free-floating, a uno stile di vita batterico del biofilm è il messaggero secondario, ciclico-di-GMP5. L'aumento dei livelli di di-GMP ciclico aumenta l'espressione di geni specifici che promuovono la crescita del biofilm. Anche i piccoli RNA regolatori non codificanti e il quorum sensing svolgono un ruolo importante nella regolazione della formazione del biofilm5. Misurare l'espressione genica del biofilm sequenziando l'RNA batterico estratto può essere difficile. P. aeruginosa, ad esempio, produce tre esopolisaccaridi (Psl, Pel e alginato), che sono prodotti in quantità significative nei biofilm 6,7. Questi polisaccaridi possono interferire con l'estrazione e la purificazione dell'RNA, portando a preparazioni impure contenenti bassi livelli di mRNAbatterico 8. I kit di estrazione dell'RNA disponibili in commercio sono in grado di produrre RNA di alta qualità da colture batteriche planctoniche, ma potrebbero non funzionare altrettanto bene con le colture di biofilm 9,10,11. Esistono alcuni kit commerciali per l'estrazione dell'RNA che affermano di funzionare per i biofilm, uno dei quali viene utilizzato con questo metodo.
In questo manoscritto, descriviamo le procedure per la crescita di biofilm di P. aeruginosa in vetrini da camera e l'estrazione dell'mRNA batterico per il sequenziamento ad alto rendimento12,13. Utilizzando isolati clinici raccolti da campioni di espettorato di pazienti con FC, dimostriamo che questi metodi possono essere utilizzati per isolati con caratteristiche di crescita variabili. Rispetto alle pubblicazioni precedenti, questo protocollo è descritto in dettaglio per consentire un migliore successo nello studio dell'espressione genica del biofilm batterico 11,14,15,16.
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Il Comitato Etico della Ricerca (REB) è necessario per la raccolta e l'elaborazione di campioni di espettorato da soggetti umani. Questo studio è stato approvato dall'Hospital for Sick Children (REB#1000019444). Il Research Ethics Board (REB) è tenuto a raccogliere e conservare campioni di espettorato da soggetti umani. Questi studi sono stati approvati dall'Hospital for Sick Children REB#1000058579.
1. Formazione del biofilm
2. Recupero del biofilm
NOTA: Ogni vetrino contiene otto pozzetti separati. Un singolo campione è costituito da quattro pozzetti con biofilm che verranno raggruppati17. Questo protocollo di estrazione è per 1 campione (4 pozzetti) in cui i biofilm vengono recuperati da 2 pozzetti alla volta. Le estrazioni dell'RNA vengono eseguite utilizzando un kit di estrazione dell'RNA commerciale che include una fase di battitura delle perle e una pulizia basata su colonna, con modifiche. Seguire le istruzioni del produttore per la preparazione del reagente.
3. Isolamento dell'RNA totale e valutazione della qualità
NOTA: L'estrazione dell'RNA viene eseguita utilizzando un kit di estrazione dell'RNA commerciale che afferma di funzionare sui biofilm. I singoli componenti sono inclusi nella tabella dei materiali, se possibile. Quando possibile, vengono fornite spiegazioni sui meccanismi alla base di ogni fase di purificazione.
4. Deplezione dell'RNA ribosomiale e sequenziamento ad alto rendimento
5. Valutazione della qualità delle letture di sequenziamento
NOTA : Verificare la qualità delle letture di sequenziamento utilizzando il programma disponibile gratuitamente, FastQC26, disponibile attraverso la piattaforma gratuita e open source, Galaxy27.
6. Mappatura delle letture di sequenziamento
NOTA : Di seguito è elencata una pipeline di base per il taglio dell'adattatore e la mappatura della lettura per i dati RNA-seq. Le sequenze dell'adattatore vengono tagliate dalle letture utilizzando Trimmomatic28. Le reads tagliate sono mappate sul genoma di riferimento PAO1 di P. aeruginosa (NC_002516.2), ottenuto da NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)29utilizzando BWA30 e Samtools31. Per semplicità, una coppia di letture è chiamata PA_1.fq e PA_2.fq; Il file letto dell'adattatore da tagliare si chiama adapter.fa; e la sequenza di riferimento PAO1 è chiamata PAO1.fasta. Tutti gli strumenti sono open source e vengono eseguiti in ambiente UNIX/LINUX. Si consiglia vivamente di familiarizzare con i fondamenti di UNIX/LINUX per eseguire questi comandi.
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La panoramica generale del metodo è illustrata nella Figura 1. In precedenza abbiamo utilizzato vetrini da camera a 8 pozzetti per far crescere biofilm di P. aeruginosa ed esporli ad antibiotici prima di esaminarli tramite microscopia confocale in diversi punti temporali12,13. Questo metodo può essere utilizzato per estrarre l'RNA totale direttamente dai biofilm cresciuti in questo sistema al fine di studiare i cambiamenti d...
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L'RNA totale viene estratto con successo da 17 diversi campioni di biofilm batterico in triplicato, per un totale di 51 campioni. Le quarantanove librerie di RNA vengono raggruppate e sequenziate con successo. Nel complesso, ciò convalida i nostri criteri di qualità con un tasso di successo del 96%, anche se più della metà dei campioni è considerata di bassa abbondanza e di qualità non ottimale 34,35,36,37.
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Gli autori non hanno divulgazioni da dichiarare.
Contributi degli autori: P.W., Y.Y. e V.W sono stati coinvolti nella concettualizzazione dello studio. K.G., L.J., A.M. e P.W. hanno ottimizzato i protocolli di laboratorio. Il finanziamento di K.G. è stato sostenuto dal sussidio del programma di tirocinio studentesco attraverso BioTalent Canada.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Bioanalizzatore Agilent 2100 | Agilent | G2939BA | Elettroforesi automatizzata di biomolecole Kit |
| Agilent RNA 6000 pico | Agilent | 5067-1513 | Chip per elettroforesi RNA ad alta sensibilità per generare un tampone di |
| lisi RIN DNA/RNA Zymo | Research | D7001-1-50 | Un tiocianato di guanidinio e un tampone di lisi a base di N-Lauroilsarcosina, venduto come parte di un kit di purificazione degli acidi nucleici |
| Tampone per la preparazione del DNA/RNA | Zymo Research | D7010-2-10 | Un tampone guanidina HCl ed etanolo utilizzato per la purificazione del DNA e dell'RNA DNA |
| /RNA Shield | Zymo Research | R1100-50 | Reagente per la conservazione/protezione del DNA e dell'RNA |
| Tampone di lavaggio del DNA/RNA | Zymo Research | D7010-3-6 | Un tampone sale ed etanolo utilizzato per la purificazione del DNA e dell'RNA |
| DNBSEQ G-400RS | MGI | G-400RS | Sequenziatore ad alto rendimento |
| MGIEasy RNA Set di preparazione della libreria direzionale | MGI | Genera librerie per piattaforme di sequenziamento MGI ad alto rendimento a partire dall'RNA totale. | |
| Mini-Beadbeater-96 | BioSpec | 1001 | Un disgregatore cellulare ad alta energia e ad alta produttività |
| NEBNext rRNA Depletion Kit (batteri) | New England Biolabs | E7850X | Deplezione efficiente e specifica dell'rRNA batterico (5S, 16S, 23S) |
| Sistema di vetrini a camera Nunc Lab-Tek II | Thermo Fisher Scientific | 154534 | Vetrino a camera a 8 pozzetti con pozzetti rimovibili |
| Qubit Fluorimetro | Thermo Fisher Scientific | Q33238 | Fluorimetro per DNA, RNA e proteine |
| Kit di analisi Qubit RNA HS | Thermo Fisher Scientific | Q32852 | Saggio fluorimetrico ad alta sensibilità per misurare la concentrazione di RNA |
| Filtri Spin-Away | Zymo Research | C1006-50-F | Colonna rotante a base di silice utilizzata principalmente per legare o rimuovere il DNA genomico |
| Anelli di inoculazione sterili, 1 uL | Sarstedt | 86.1567.050 | Anelli di inoculazione sterili e monouso per la manipolazione di microrganismi Provette |
| per lisi ZR BashingBead | Zymo Research | S6003-50 | Provette da 2 mL contenenti matrice di lisi a microsfere da 0,1 e 0,5 mm per l'omogeneizzazione di campioni biologici |
| Colonne Zymo Spin IIICG Zymo | Research | C1006-50-G | Colonna rotante a base di silice per la purificazione di DNA e RNA |
| Filtri Zymo-Spin III-HRC | Zymo Research | C1058-50 | Rimuove inibitori quali composti polifenolici, acidi umici/fulvici, tannini, melanina, ecc. |
| Zymobiomics Kit di minipreparazione DNA/RNA | Zymo Research | R2002 | Kit di doppia estrazione di DNA e RNA |
| Zymobiomics HRC Prep solution | Zymo Research | D4300-7-30 | Da utilizzare con i filtri Zymo-Spin III-HRC per rimuovere gli inibitori della PCR |
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