Le analisi di proteomica subcellulare (SCP) svolgono un ruolo fondamentale nel chiarire la patogenesi batterica analizzando il proteoma all'interno di specifici compartimenti subcellulari delle cellule batteriche. Questo approccio di proteomica subcellulare caratterizza le proteine batteriche all'interno di compartimenti distinti, riducendo la complessità escludendo proteine altamente abbondanti e fornendo informazioni sulla loro organizzazione e abbondanza proporzionale 1,2. Ad esempio, utilizzando tecniche di frazionamento subcellulare e LC-MS/MS, uno studio su Shewanella oneidensis ha svelato una parte sostanziale del suo proteoma, fornendo dettagli cruciali riguardanti l'architettura compartimentale dell'abbondanza cellulare e proteica. Questo studio funge da quadro di base per le successive indagini sull'organizzazione subcellulare all'interno dei batteri gram-negativi3. Nell'ambito della patogenesi batterica, delineare il proteoma batterico durante l'infezione in vivo è fondamentale per comprendere i meccanismi che guidano la patogenicità4. Lo studio del proteoma della Salmonella intracellulare all'interno delle cellule epiteliali in vari stadi di infezione è stato determinante per svelare le strategie adattative impiegate dai patogeni batterici all'interno del loro ambiente intracellulare 4,5. Le strategie SCP forniscono informazioni complete sulle dinamiche cellulari valutando l'abbondanza e la traslocazione delle proteine all'interno di vari compartimenti cellulari. Questo metodo facilita l'identificazione estensiva di proteine provenienti da diversi compartimenti batterici, migliorando l'analisi approfondita dei proteomi batterici 6,7.
La distribuzione subcellulare delle proteine non solo determina la loro attività funzionale, ma migliora anche la loro diversità funzionale8. Ad esempio, gli enzimi mostrano meccanismi di regolazione e livelli di attività diversi a seconda della loro localizzazione subcellulare. Le transglutaminasi (TGasi), ad esempio, mostrano ruoli distinti o meccanismi di regolazione in diversi compartimenti subcellulari nei tubi pollinici: le TGasi citoplasmatiche incorporano ammine primarie nelle proteine citosoliche (ad esempio, actina e tubulina) in modo Ca(2+)-dipendente, interagendo con il citoscheletro; le TGasi di membrana sono associate al Golgi e alle membrane plasmatiche, suggerendo un ruolo nel rilascio esocitotico; e le TGasi associate alla parete cellulare regolano la crescita apicale colocalizzandosi con i marcatori della parete cellulare. Queste distinzioni funzionali sono mediate da ruoli specifici del compartimento9. Inoltre, la riparazione delle proteine ossidate nell'involucro batterico sottolinea il ruolo critico dei sistemi enzimatici all'interno di specifici compartimenti cellulari esposti a specie reattive dell'ossigeno10. Si consideri l'ossido nitrico sintasi endoteliale (eNOS), la cui localizzazione subcellulare è modulata da modificazioni lipidiche, influenzando la sua interazione con diverse membrane cellulari11. La compartimentazione enzimatica mantiene ambienti distinti favorevoli alle interazioni tra enzimi e substrati, facilitando così i processi metabolici compartimentali specifici12.
I batteri e gli altri procarioti non hanno organelli subcellulari chiari; Ci sono regioni distinte, tra cui il citoplasma, la membrana interna, il periplasma e la membrana esterna. La maggior parte delle funzioni biochimiche e fisiologiche dell'organismo sono organizzate in vari compartimenti sottocellari13. Quindi, la localizzazione subcellulare delle proteine è importante per prevedere le loro caratteristiche funzionali. Tuttavia, l'estrazione di proteine subcellulari da batteri gram-negativi pone sfide a causa del loro complesso doppio strato fosfolipidico a doppia membrana. I metodi di estrazione convenzionali, che impiegano detergenti come il dodecil solfato di sodio (SDS) e additivi come l'urea, spesso compromettono l'integrità delle proteine di membrana, influenzando le analisi a valle14,15. Inoltre, la composizione lipidica gioca un ruolo significativo nel modellare le alterazioni conformazionali delle proteine di membrana. Il successo della solubilizzazione dipende da fattori come il rapporto detergente-lipidi-proteine, poiché il processo prevede l'inserimento del detergente nel doppio strato lipidico seguito dalla solubilizzazione delle proteine16. La scelta del detergente è fondamentale per solubilizzare efficacemente le proteine di membrana, considerando fattori come la temperatura del punto di intorbidamento e il tempo di incubazione17. L'ambiente lipidico può influenzare i cambiamenti conformazionali delle proteine di membrana18,19.
I detergenti sono essenziali per estrarre le proteine di membrana dalle membrane biologiche e garantirne la solubilità in soluzioni acquose, prerequisito per la successiva purificazione delle proteine. Tuttavia, la purificazione delle proteine di membrana è spesso impegnativa perché vengono rimosse dal loro ambiente nativo di membrana lipidica e poste in un tampone detergente, che replica solo parzialmente le proprietà fisiche e chimiche della membrana20. Dopo l'estrazione, le proteine di membrana vengono tipicamente purificate in processi successivi utilizzando la dialisi, la precipitazione proteica e alcuni metodi cromatografici come proteine solubili20,21. La separazione di fase offre una potente alternativa o complemento ai protocolli di purificazione basati sulla cromatografia e può essere applicata direttamente alle proteine solubilizzate. Fondamentalmente, la separazione di fase consente alle proteine integrali di membrana di dividersi in fase di arricchimento del detergente e alle proteine citosoliche nella fase acquosa impoverita dal detergente20,22. In studi precedenti sono stati descritti diversi detergenti utilizzati nella solubilizzazione delle proteine di membrana20. Questi includono la famiglia Triton (Triton X-100 e Triton X-114), la famiglia Tween (Tween-20 e -80), i detergenti anionici, i detergenti cationici, i detergenti monoetere di poliossietilenglicole ecc., ma hanno pro e contro in termini di struttura e funzione delle proteine20. Le proprietà fisico-chimiche di questi detergenti influenzano notevolmente la partizione di fase e la solubilizzazione delle proteine di membrana20. I detergenti sono molecole anfipatiche con un gruppo polare e una catena idrofoba idrocarbonica. A basse concentrazioni, esistono come monomeri nell'acqua. Al di sopra della concentrazione critica di micelle (CMC), formano micelle la cui dimensione dipende dal tipo di detergente, con il numero di aggregazione che indica il numero di molecole per micella (chiamato anche peso molecolare delle micelle). Un altro fattore importante è il "punto di intorbidamento" che può essere raggiunto modificando la temperatura di una soluzione acquosa di detergente micellare che diventa torbida e alla fine forma due fasi distinte. Questo processo è noto come separazione di fase o estrazione del punto di intorbidamento. Un'elevata CMC può produrre più proteine di membrana corrispondenti ad alte concentrazioni di detergente con legame più debole, che possono essere dializzati contro un tampone con una concentrazione di detergente definita20. Tuttavia, il raggiungimento di un'elevata CMC nella maggior parte dei detergenti richiede un'elevata temperatura del punto di intorbidamento, che può influenzare la struttura e la funzione delle proteine estratte e influenzare i processi a valle. Anche l'alta concentrazione di detergente in questa fase potrebbe essere dannosa per le proteine e creare problemi nella manipolazione dei liquidi per il pipettaggio di volumi precisi a causa dell'elevata viscosità. Ad esempio, triton X-100 ha un'alta resa di proteine di membrana nella micella detergente al di sopra della temperatura del punto di intorbidamento di 64-65 °C. Per mantenere la temperatura di lavoro, 9%-23% (NH4)2COSÌ4 o l'aggiunta di NaCl al 16%-25% può essere ridotta a temperatura ambiente (RT), ottenendo un'alta concentrazione di detergente, che probabilmente influisce sulla stabilità delle proteine. Analogamente, l'estrazione basata su interpolazione utilizza un'elevata temperatura del punto di intorbidamento (76 °C per l'interpolazione a 20 e 93 °C per l'interpolazione a 80 anni). Il detergente anionico SDS è spesso utilizzato nelle applicazioni proteiche, ma di solito denatura le proteine20. I ricercatori, con l'obiettivo di estrarre in modo efficiente le proteine di membrana, hanno identificato Triton X-114 come un detergente classico grazie alla sua temperatura ottimale del punto di intorbidamento di circa 22 °C, ideale per gli studi sulle proteine di membrana. Introdotto per la prima volta da Bordier nel 1981, Triton X-114 è stato da allora ampiamente utilizzato per l'estrazione e la purificazione di proteine di membrana in diverse fonti, inclusi tessuti animali e vegetali e microrganismi20,22. La bassa CMC di Triton X-114 ne impedisce la rimozione mediante dialisi; Tuttavia, la sua natura delicata riduce al minimo la denaturazione delle proteine di membrana nella fase arricchita di detergenti. Inoltre, Triton X-114 forma micelle più piccole (n = 7-8) rispetto a Triton X-10020. Il protocollo di studio di James G. Pryde ha impiegato Triton X-114 per l'estrazione di proteine di membrana da cellule di mammifero in coltura. Utilizzando una temperatura del punto di intorbidamento superiore a 20 °C (incubazione a 30 °C per 3 minuti), le proteine integrali di membrana sono state suddivise nella fase arricchita di detergente, mentre le proteine periferiche e citosoliche sono state recuperate dalla fase acquosa impoverita di detergente22. Inoltre, David A. Haake et al. hanno utilizzato Triton X-114 per estrarre proteine della membrana esterna (OMP) da Leptospira interrogans, con e senza CaCl2 come additivo23,24. Studi successivi hanno confermato che Triton X-114 estrae efficacemente le OMP dai compartimenti subcellulari senza additivi come glicerolo o CaCl225,26. Tuttavia, l'inclusione di sali può aumentare la concentrazione del detergente, il che può influenzare gli studi sul proteoma su larga scala utilizzando la spettrometria di massa ad alto rendimento20. Nel nostro lavoro sull'analisi del proteoma subcellulare, abbiamo impiegato Triton X-114 accoppiato con la spettrometria di massa tandem, ottenendo un arricchimento significativo in tutti i compartimenti subcellulari, comprese le proteine citoplasmatiche, della membrana interna e della membrana esterna25,26. L'obiettivo principale del presente protocollo è quello di arricchire in modo efficiente i compartimenti subcellulari di una tipica cellula batterica gram-negativa, minimizzando i problemi nei processi a valle. Inoltre, il protocollo è progettato per essere conveniente ed efficiente in termini di tempo. Qui, elaboriamo il protocollo ottimizzato sviluppato in laboratorio per l'isolamento delle proteine subcellulari e discutiamo ogni collo di bottiglia riscontrato durante il processo di estrazione.