細胞壁分解を標的とすることによって枯草菌および肺炎球菌の増殖を阻害する小分子プローブである静菌ジアミドマサリマイシンを調製するための詳細なプロトコールが提示される。化学プローブとしてのその応用は、枯草菌および肺炎菌との相乗効果/拮抗アッセイおよび形態学的研究において実証されている。
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細胞壁分解を標的とすることによって枯草菌および肺炎球菌の増殖を阻害する小分子プローブである静菌ジアミドマサリマイシンを調製するための詳細なプロトコールが提示される。化学プローブとしてのその応用は、枯草菌および肺炎菌との相乗効果/拮抗アッセイおよび形態学的研究において実証されている。
細菌の細胞壁にあるペプチドグリカン(PG)は、形状、および周囲の環境からの保護を付与するユニークな高分子構造である。細胞の成長と分裂を理解する上で中心的なのは、PG分解が生合成と細胞壁アセンブリにどのように影響するかについての知識です。近年、修飾糖やアミノ酸の導入によるPGの代謝標識が報告されている。小分子阻害剤による生合成ステップの化学的尋問は可能であるが、オートライシンによるPG分解を研究するためのケミカルバイオロジーツールは未開発である。細菌性オートライシンは、PGの緊密に協調した分解に関与する幅広いクラスの酵素である。ここでは、枯 草菌 におけるN-アセチルグルコサミニダーゼLytGの阻害剤である小分子プローブ、マサリマイシン、および 肺炎球菌における細胞壁代謝を調製するための詳細なプロトコールが提示される。マイクロ波支援および古典的有機合成 を介 した阻害剤の調製が提供される。生物学的アッセイにおけるグラム陽性生理学を研究するためのツールとしてのその適用性が提示される。
ペプチドグリカン(PG)は、グラム陽性およびグラム陰性細菌1,2の両方における細胞の形状および構造を描写する網目状のポリマーである。このヘテロポリマーは、β-(1,4)結合した交互のN-アセチルグルコサミン(GlcNAc)残基とN-アセチルムラミン酸(MurNAc)残基からなる骨格を有する短いペプチド3,4,5,6によって架橋されたアミノ糖のマトリックスである(図1)1。MurNAcのC-3ラクチル部分に結合しているのはステムペプチドである。PGの代謝は、細胞壁7、8に新しい物質を組み込むために、生合成および分解酵素の緊密に調整されたシステムを含む。PGの分解は、オートライシン9と総称する酵素によって行われ、さらに切断された結合の特異性に基づいて分類される。オートライシンは、細胞増殖、細胞分裂、運動性、PG成熟、走化性、タンパク質分泌、遺伝的能力、分化、および病原性を含む多くの細胞プロセスに関与する10,11。個々のオートライシンの特定の生物学的機能を解明することは、部分的には機能的な冗長性のために、困難な場合があります。しかし、最近の生物物理学的研究8,12,13および計算研究12は、PG代謝におけるそれらの役割についての新しい洞察を提供している。加えて、最近の報告は、PG代謝における合成14および膜媒介性15、16、17ステップについてのさらなる洞察を提供している。PG代謝の分解経路と合成経路の関係を徹底的に理解することは、これまで未開発の抗生物質標的を生じさせる可能性がある。
真核生物の糖生物学を研究するための方法論には著しい進歩があったが、細菌の糖生物学、特にPG代謝は同様の速度で進歩していない。PG代謝を研究するための現在の化学的アプローチには、蛍光標識抗生物質18、蛍光プローブ19、20、および代謝標識21、22、23、24が含まれる。これらの新しいアプローチは、細菌の細胞壁代謝を調査する新しい方法を提供している。これらの戦略のいくつかはインビボでPGを標識することができるが、それらは種特異的であり得る19、または特定のオートライシン25を欠く株においてのみ働く。多くのPG標識戦略は、単離された細胞壁26またはインビトロで再構成されたPG生合成経路20、27、28と共に使用するためのものである。蛍光標識された抗生物質の使用は、現在、生合成ステップおよびトランスペプテーション18に限定されている。
細菌のオートライシンと細胞壁代謝におけるそれらの役割に関する現在の知識は、遺伝的およびインビトロ生化学的分析11、29、30、31、32から来ている。これらのアプローチは、この重要なクラスの酵素に関する豊富な情報を提供してきましたが、それらの生物学的役割を解読することは困難な場合があります。例えば、機能的冗長性33のために、ほとんどの場合、オートライシンの欠失は細菌増殖の停止をもたらさない。これは、細胞増殖および分裂におけるそれらの暗黙の役割にもかかわらず、7,12である。もう一つの合併症は、細菌性自己分解体の遺伝的欠失がメタ表現型を生じさせる可能性があることである34。メタ表現型は、遺伝的欠失の影響を受ける経路と他の相互接続された経路との間の複雑な相互作用から生じる。例えば、メタ表現型は、酵素の欠如などの直接的な効果、または調節因子の破壊などの間接的な効果を介して生じ得る。
現在、PGの分解を研究するための化学プローブとして使用できるN-アセチルグルコサミニダーゼ(GlcNAcase)およびN-アセチルムラミダーゼなどのグリコシダーゼ自己分解の阻害剤はごくわずかである。これに対処するために、ジアミドマサリマイシン(以前はfgkcと呼ばれていた)が同定され、GlcNAcase LytG32を標的とする枯草菌増殖の静菌阻害剤として35を特徴付けた(図1)。LytGは、外効性GlcNAcase36であり、グリコシル加水分解酵素ファミリー73(GH73)内のクラスター2のメンバーである。これは、栄養成長中の主要な活性GlcNAcaseである32。我々の知る限り、マサリマイシンは、細胞増殖を阻害するPG作用型GlcNAcaseの最初の阻害剤である。肺炎連鎖球菌を用いたマサリマイシンのさらなる研究は、マサリマイシンがこの生物における細胞壁代謝を阻害する可能性が高いことを見出した37。ここで、マサリマイシンの調製は、グラム陽性生物B.枯草菌、および肺炎菌における生理学を研究するためのケミカルバイオロジープローブとしての使用について報告されている。マサリマイシンによる最小阻害濃度以下の処理の形態学的解析、ならびに相乗効果/拮抗作用アッセイの例を提示する。明確に定義された作用機序を有する抗生物質を用いた相乗効果および拮抗作用アッセイは、細胞プロセス間の関連を探求する有用な方法であり得る38、39、40。
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1. 一般的な方法
注:すべての化合物は標準的な供給業者から購入され、それ以上の精製なしで使用されました。
2. マサリマイシンの調製のための一般的な手順
メモ:ヒュームフードで以下の手順を実行します。

x 100%3. マサリマイシンの調製のためのマイクロ波手順
4. 相乗効果と拮抗作用アッセイ
5. 形態学的研究
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マサリマイシンは、枯草菌および肺炎菌の小分子静菌阻害剤であり、枯草菌35、37における外効性GlcNAcase LytGを阻害し、肺炎菌37における細胞壁を標的とすることが示されている。マサリマイシンは、55%〜70%の範囲の収率を有する古典的またはマイクロ波支援有機合成のいずれかによって効率的に調製することができる。マイクロ波支援合成は、化合物を合成する時間を大幅に短縮するという利点を有する。マイクロ波支援合成は、同等の収率を維持しながら、合成を5〜6時間(従来の合成)から2〜3時間に短縮する。フラッシュクロマトグラフィーは、高純度のマサリマイシンの迅速な精製を提供する(補足図1〜2)。1Hおよび13CNMRスペクトルからの構造割り当てと代表的なスペクトルを補足図3
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マサリマイシンは、枯草菌35および肺炎菌37増殖の単一微小モル静菌阻害剤である。枯草菌では、マサリマイシンがGlcNAcase LytG35を阻害することが示されているが、肺炎菌の細胞壁における正確な分子標的は同定されていない37。古典的な有機合成またはマイクロ波手順のいずれかを用いたマサリマイシンの合成は、阻害剤を良好な収率および高純度で提供する。マサリマイシンの収率が低いことは、典型的にはシクロヘキシルカルボキシアルデヒドの酸化に起因し得る。これを克服するには、シクロヘキシルカルボキシアルデヒドをデシケーター内の不活性雰囲気下で保存することが推奨される。アルデヒドから対応するカルボン酸への酸化は、ボトル内の白色固体として見ることができる。シクロヘキシルカルボキシアルデヒドを長期間保存せずに少量購入すると、この問題が大幅に軽減されます。
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リード、C.W.は、マサリマイシンの特定の用途を含む知的財産を有する。
研究は、助成金番号2009522の下で国立科学財団によって支援されました。マサリマイシンのNMR分析は、米国国立科学財団の助成金番号1919644の下で主要な研究機器プログラム賞によって支援されました。この資料で表明された意見、所見、結論、または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団の見解を反映するものではありません。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-ヨード安息香酸 | SIGMA-ALDRICH | I7675-25G | 腐食性、刺激性、淡黄色からオレンジブラウンの粉末 |
| 2-プロパノール | SIGMA-ALDRICH | 109827-4L | 可燃性、刺激性、無色の液体 |
| アセトニトリル | SIGMA-ALDRICH | 34851-4L | 、刺激性、無色の液体 |
| アルミニウム裏打ちシリカプレート | Sorbtech | 4434126 | アルミニウム裏打ちプレート上のシリカゲルXGF254 |
| ロホルム-d | SIGMA-ALDRICH | 151823-50GNMR | |
| コンパクト質量分析計 | 溶媒Advion-Interchim | Advion CMS | コンパクト質量分析計APCIソースと大気固体分析プローブを装備- |
| Corning Costar 96ウェル平底プレート-相 | 乗効果/拮抗アッセイ用の | フィッシャーケミカル | 07-200-90 |
| 顕微鏡検査用 | スリップフィ | ッシャーケミカル | 12-547 |
| クロヘキサンカルボキシアルデヒド | CHEM-IMPEX INT'L INC. | 24451 | 可燃性、刺激性、無色からピンク色の液体シ |
| クロヘキシルイソシアン化 | SIGMA-ALDRICH | 133302-5G | 刺激性、無色の液体、非常に不快な臭い |
| クロヘキシルアミン | SIGMA-ALDRICH | 240648-100ML | 腐食性、可燃性、刺激性、無色の液体 汚染されていない限り |
| 酢酸エチル | SIGMA-ALDRICH | 537446-4L | 可燃性、刺激性、無色液体 |
| フラッシュシリカカートリッジ(12g) | 精製用フラッシュシリカカラム(12g)のAdvion-Interchim | PF-50SIHP-F0012 | |
| SIGMA-ALDRICH | F8775-25ML | 用固定剤 | |
| HEPES | SIGMA-ALDRICH | H8651-25G | 顕微鏡用固定液 |
| ヘキサン、異性体混合物 | SIGMA-ALDRICH | の混合物178918-4L | 環境に有害な、可燃性、刺激性、健康被害、無色の液体 |
| 高性能コンパクト質量分析計 | Advion | 表現 | 大気固体分析プローブ (ASAP)、低分解能 |
| 高 VAC | エッペンドルフ | 真空 プラス | 真空 遠心力と温度によって支援 |
| 塩酸 | SIGMA-ALDRICH | 258148-2.5L | 腐食性、刺激性、無色の液体 |
| 塩酸 | SIGMA-ALDRICH | 320331-2.5L | 強酸 |
| 浸漬油 | フィッシャーケミカル | 12-365-19 | 顕微鏡用 |
| ヨウ素、再昇華結晶 | Alfa Aesar | 41955 | 環境破壊、刺激性、健康被害、ダークグレー/パープル結晶 |
| Mestre Mnova | MestreLab Research | NMRスペクトルを処理するためのソフトウェア | |
| メタノール | SIGMA-ALDRICH | 439193-4L | 可燃性、毒性、健康被害、無色液体 |
| メチレンブルー | SIGMA-ALDRICH | M9140-25G | 細胞壁を染色するための顕微鏡染色 |
| meuller-hinton 寒天プレート+ 5% 羊 血液 | フィッシャー | Streptococcus pneumoniae | |
| meuller-hinton ブロスの | 炎球菌用フィ | ッシャーケミカル | DF0757-17-6 |
| 用スライド | 用 | フィッシャーケミカル | 22-310397 |
| マイクロ波合成ラボステーション | 合成 | ヒュームフードの換気を必要とする | スタートシンセ |
| SIGMA-ALDRICH | Z562769-5EA | 5mm NMRチューブ 600 MHz | |
| 核磁気共鳴(NMR) | ブルカー | Ascend 400 | 大型超伝導磁石(400MHz) |
| オプチン | フィッシャー化学 | AAB21627MC | エチルヒドロクプレイン塩酸塩 |
| ペトリープレート | 細菌増殖のための寒天プレートを準備するための | セルトリー | ト229695 |
| Primo Star ERc5sカメラ | 付き Zeiss | 形態学研究 | |
| puriFlash | interchim | XS520plus | フラッシュ クロマトグラフィー精製システム |
| resazurin | SIGMA-ALDRICH | R7017-1G | 相乗効果/拮抗アッセイ用 |
| ロータリーエバポレーター | Heidolph | Hei-VAP Value "The Collegiate" | 溶剤蒸発器 |
| 重炭酸ナトリウム | SIGMA-ALDRICH | S6014-500G | 刺激物、白 |
| 塩化ナトリウム | ッシャー化学 | S271-1 | 結晶性、無色の |
| 塩化ナトリウム | SIGMA-ALDRICH | S5886-500G | B.subtilis |
| ナトリウム | SIGMA-ALDRICH | 7985592-500G | 無水、粒状、白色 |
| トリプトン | フィッシャー化学BP1421-500 | B.subtilisの成長のためのLBメディア | |
| ットニーDG250ワークステーション | 学インターナショナル | DG250 | 嫌気性ワークステーション。使用した嫌気性ガス混合物:5%水素、10%二酸化炭素、バランス窒素 |
| 酵母抽出 | 物フィッシャーケミカル | BP1422-500 | B.subtilisの成長と |
| Zen Lite(青)ソフトウェア | Zeiss | 写真を取得するための |
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