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方法論記事

緑藻 テトラスポラ 属 CU2551 からの抗菌タンパク質の精製および同定

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DOI:

10.3791/70066

2026年2月17日

この記事について

サマリー

このプロトコルは、タンパク質抽出バッファーの最適化、藻類細胞の破壊、イオン交換クロマトグラフィーによるタンパク質分離、SDS-PAGEによるタンパク質分離、抗菌活性アッセイなど、複数の手法を用いて完全な抗菌タンパク質を調査するためのワークフローを記述しています。その後、活性タンパク質はLC-MS/MALDI-TOF解析を用いて確認・同定されました。

要約

抗菌薬耐性(AMR)は、世界的な健康上の脅威が高まっており、新規抗菌薬の発見が必要です。藻類由来のタンパク質やペプチドは、その生物活性性が注目を集めています。しかし、特に Tetraspora 属CU2551を含む緑藻の抗菌ペプチド(AMP)を調査するための標準化されたプロトコルは限られています。このプロトコルは、緑藻テ トラスポラ 属CU2551から抗菌活性の完全なタンパク質を分離、精製、特性評価するためのステップバイステップのワークフローを記述しています。この手技は、最適化されたタンパク質抽出、クロマトグラフィーの分画、電気泳動分離、抗菌活性スクリーニング、タンパク質同定を統合しています。タンパク質抽出条件はまず、バッファー成分に由来する背景阻害効果を低減するために最適化されます。有効ペプチドの同定が不明な場合は、プルダウンアッセイを用いて異なるイオン交換樹脂間のタンパク質結合を評価し、適切な精製マトリックスの選択を導きます。DEAE-セファロースイオン交換クロマトグラフィーは、抗菌タンパク質の画分を濃縮するのに適した方法です。すべての分画は抗菌活性の有無を体系的に評価され、SDS-PAGEによって解析されます。最も高い抗菌活性に対応するタンパク質バンドと、明確な電気泳動プロファイルを切除し、LC-MS/MALDI-TOF解析でタンパク質同定を行います。このワークフローは、公開されているバイオインフォマティクスツールを用いて抗菌ペプチド関連特性を予測する インシリコ 解析によってさらに補完されています。このプロトコルは抗菌タンパク質発見のための多用途な枠組みを提供し、他の藻類種や関連するバイオテクノロジー応用にも容易に適応可能です。

概要

抗菌薬耐性(AMR)は、世界的な健康上の課題として増加しており、自然由来から新規抗菌剤を特定するための継続的な戦略の重要性を強調しています。藻類由来のタンパク質やペプチドの抗菌特性に関する研究は増加していますほとんどの研究はペプチドまたは加水分解液を用いたアプローチに焦点を当てており、全藻類タンパク質の活性を保存・評価する標準化された方法は限られています5。本記事では、緑藻Tetraspora属CU2551から抗菌活性を持つ未保存タンパク質を単離、精製、評価することを目的とした方法について説明します。

このプロトコルは、全タンパク質の抽出、イオン交換クロマトグラフィーによる分画、抗菌特性の評価、ゲルベースのタンパク質分離、質量分析によるタンパク質同定、そしてインシリコ技術を用いた抗菌ペプチドの予測を含む段階的なプロセスを概説しています。抗菌剤の有効性は、典型的なグラム陽性菌株およびグラム陰性菌株に対して標準的な寒天拡散試験および液体増殖抑制試験を用いて評価されます4,6。このアプローチにより、特定された抗菌活性を特定のタンパク質分画や電気泳動バンドに関連付けることが可能であり、消化されたペプチド混合物や、標準的なデータベース定義外で抗菌タンパク質やAMP様配列を特定できない計算予測に頼るのではなく、

このプロトコルに従うことで、将来の検証や機能評価に適した潜在的な抗菌タンパク質配列を含むバイオアクティブタンパク質の断片を信頼性高く取得できます。代表的な発見は、既知および未知のタンパク質候補の両方を含む生物活性成分の同定を示しています。このプロトコルは、藻類やその他の生物由来の完全なタンパク質から抗菌物質を特定するための多様かつ実用的な枠組みを提供します。

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プロトコル

この研究には人間、動物、脊椎動物は含まれていません。すべての実験手順は、タイのキングモンクット工科大学ラドクラバン校(KMITL)理学部の機関的バイオセーフティおよび研究倫理ガイドラインに従って実施されました。すべての微生物実験は、WHOおよび国家バイオセーフティ基準9に従い、バイオセーフティレベル2(BSL-2)の実験室条件下で実施されました。

実験中のすべての手順では、実験用コート、手袋、マスクなどの適切な個人用防護具を着用してください。化学廃棄物および銀を含む廃棄物は、認可された廃棄物管理会社に送る前に、機関の有害廃棄物管理ガイドラインに従って収集・処分してください。

化学煙幕の中で、ドデシル硫酸ナトリウム、βメルカプトエタノール、ホルムアルデヒド含有銀染色試薬などの有害化学物質の濃縮ストック溶液を準備します。標準的な実験室安全慣行に従い、低作業濃度かつ小体積で実験を実施すること。

1. 藻類養殖

注意:藻類栽培中は無菌状態を維持してください。

  1. スターター培養の調製
    1. 無菌TAP培地(pH7.0)10 を準備し、150mLを無菌500mLのエルレンマイヤーフラスコに注入します。
    2. クラスIバイオセーフティキャビネット内で、無菌技術を用いて1%(v/v)のテ トラスポラ 属CU2551の一晩接種菌を培地に接種します。
    3. 培養菌は光を備えたシェイキングインキュベーターで、35°C、120rpm、45.9μmol/m 2/sで48時間培養します。完全に成長した培養をスケールアップ培養の出発点として活用しましょう。
  2. スケールアップ培養と細胞採取
    1. スターター培養25 mLを275 mLの新鮮な無菌TAP培地に移管します。培養は同じ条件下で48時間培養します。
    2. 藻類細胞は3,800 × g で遠心分離し、25°Cで15分間採取します。
    3. セルペレットを無菌蒸留水で一度洗浄し、3,800 × g で25°Cで15分間遠心分離します。
    4. 上清液を完全に除去し、藻類細胞ペレットを−20°Cで保存し、さらなる処理を待つ。

2. 溶解バッファーの製剤および背景阻害スクリーニング

注意:SDSおよびβメルカプトエタノールはゴムまたはニトリル手袋を着用して取り扱ってください。濃縮βメルカプトエタノールのボトルを化学的な排気フードで開けます。

  1. リシスバッファーの調製
    1. 参照溶解バッファー11 を準備します。これは10 mMのトリスHCl(pH 9.0)に0.1%のw/v SDSおよび38 mM β-メルカプトエタノールを補足したものです。
      注意:重要なステップ:偽陽性抗微生物活性を避けるためにSDSおよびβメルプトエタノール濃度を最適化してください。
    2. ナトリウムドデシル硫酸塩(SDS)(0、0.01、0.05、または0.1% w/v)とβ-メルカプトエタノール(0、0.5、1、または2 mM)を変化させて、16種類の製剤を生成するために、全階数セットの溶解バッファーを製製します。
      注:試験済みの溶解バッファー製剤の組成は 表1にまとめられています。使用直前にβメルカプトエタノールを添加してください。
  2. 抗菌スクリーニングの背景
    1. No. 42 Whatman紙から6mmディスクを製片するには、ペーパーパンチを使ってください。各溶解バッファー製剤を5μLを紙ディスクに塗布し、CLSIガイドライン6に従ってディスク拡散アッセイを行います。アッセイプレートを37°Cで20時間培養し、阻害ゾーンを評価します。
      1. チルス・サブティリス TISTR 1248、 黄色ブドウ球菌 TISTR 746、大 腸菌 TISTR 074、 緑緑膿菌 TISTR 2370 に対する試験製剤。
    2. 阻害活性がないと示す製剤を選択し、その後のタンパク質抽出に備えてください。

3. タンパク質抽出

注意:超音波処理および遠心分離中は、サンプルを低温で保有してください。

  1. 凍結した藻類ペレット(ステップ1.2.5以降)を37°Cで解凍し、−20°Cで再冷凍します。 凍結融解サイクル(-20°C / 37°C)を3回繰り返します。
  2. 最適な溶解バッファー(10 mM トリスHCl、pH 9.0、0.01% SDS、2 mM β-メルカプトエタノール)を最終体積5 mLに加え、サンプルを氷上に保管して処理を進めます。プローブソニック(25kHz、500W、振幅40%、オン/オフ1秒、5分)でセルを破壊します。
  3. メーカーの指示に従ってプロテアーゼ阻害カクテルを加え、優しく混ぜます。
  4. 遠心分離機で3,800 × g で4°Cで15分間溶解し、上清液を粗タンパク質抽出物として回収します。
  5. 抽出物を10,000 × g で4°Cで10分間遠心分離して清算します。 上清液を4°Cで採取・保存します。

4. 抗菌活性の評価

  1. ディスク拡散アッセイ
    1. 病原性細菌(Bacillus subtilis TISTR 1248、 Staphylococcus aureus TISTR 746、 Escherichia coli TISTR 074、 Pseudomonas aeruginosa TISTR 2370)を栄養寒天37°Cで16〜18時間培養します。
    2. 滅菌アルミニウムループを使い、寒天表面からコロニーを削り取り、0.9%(w/v)NaClに再懸濁します。細菌懸浮液を0.5マクファーランド標準に調整し、ムラー・ヒントン寒天プレートに均等に綿棒で採取します。
    3. 接種された寒天表面に滅菌紙ディスクを置き、5μLの試験サンプルを塗布します。プレートを37°Cで16〜20時間培養し、バーニエキャリパーで阻害ゾーンを測定します。
      注意:すべてのディスクの間隔を均等に保つこと。
  2. MICおよびMBCの決定
    1. 2× 10⁶ CFU/mLの細菌懸濁液を4倍のミューラー・ヒントンブロスで調製します。
    2. 細菌懸濁液50μLと連続希釈タンパク質サンプル100μLを96ウェルプレートにピペットし、10 mMのTris-HClバッファー(pH 7.5)を用いて最終体積200 μLに調整します。
    3. 陽性対照として5μLのストレプトマイシン(50μg)を使用します。陰性コントロールとして10 mMのトリスHCl(pH 7.5)および0.9%(含水)のNaClを使用してください。
    4. 37°Cで20時間培養し、目に見える細菌増殖のない最低濃度としてMICを測定します。
    5. 透明井戸からムラー・ヒントン寒天にプレートアリコートを取ってMBCを決定します。
  3. 細菌増殖曲線の決定
    1. 1× 10⁶ CFU/mLの細菌懸濁液を2倍のミューラー・ヒントンブロスに準備します。
    2. 96ウェルプレート上で37°Cで100μLの細菌培養と100μLのタンパク質サンプルを20時間培養します。
    3. 陽性対照として5μLのストレプトマイシン(50μg)を使用します。対照としては滅菌蒸留水、10 mM トリスHCl(pH 7.5)、500 mM NaClを10 mM トリスHCl(pH 7.5)に使用してください。
    4. マイクロプレートリーダーを用いて30分ごとにOD₆₀₀₀を測定し、眼窩間欠揺れを測定します(測定の2分前)。
    5. 成長曲線と特定の成長率を計算してください。
      注意:高タンパク質濃度は光学密度測定に干渉することがあります。

5. プルダウンアッセイおよびタンパク質精製

  1. プルダウンアッセイ
    1. 平衡状態のDEAE-セファロース樹脂と10 mMのトリス-HClバッファー(pH 8.0)またはCM-セファロース樹脂に10 mMリン酸バッファー(pH 7.0)を組み合わせた。
    2. 平衡樹脂100μLと粗タンパク質抽出物500μLを混合し、対応する平衡バッファー100μL(DEAEは10 mM Tris-HCl、pH 8.0、CMは10 mMリン酸バッファー、pH 7.0)を加えます。穏やかな逆行(10回の逆行)で孵化します。
    3. 短時間遠心分離し、上清液を採取し、ディスク拡散アッセイで抗菌活性を評価します。
    4. 動作するレジン(DEAE-セファロース)を選択します。pH最適化のために、pH 7.0、7.5、8.0、8.0、8.5、または9.0の10 mMトリスHClで平衡樹脂を使い、手順5.1.1-5.1.3を踏みます。
    5. イオン交換クロマトグラフィーでは抗菌活性を示すpH条件を選択します。
  2. イオン交換クロマトグラフィーに基づくタンパク質精製
    1. DEAE-セファロース樹脂をガラスクロマトグラフィーカラム(16 mL ベッド容量)に詰め、10 mM Tris-HClバッファー(pH 7.5)を25°Cで平衡化し、10カラム容量に設置します。
    2. 粗タンパク質抽出物15mL(セクション3.6)を8 mL/minの流量で充填します。
    3. 平衡バッファーでカラムを洗浄し、280 nmでの吸収率が0.05を下回るまで続けます。
    4. 溶出結合タンパク質は、10 mM Tris-HCl(pH 7.5)を500 mL、8 mL/分で500 mLにかけて線形0-500 mCl勾配を用いて使用しました。
    5. 5mLの分画を採取し、280nmおよび220nmの吸収を監視し、分画は氷で保管してください。4°Cで分解分を保存し、抗菌スクリーニングとタンパク質分析が行われるまで保管します。

6. SDS-PAGEと銀染色

注意:化学煙幕に銀染色液を準備し、適切な個人用防護具を着用してください。すべての溶液を新たに準備してください。

  1. 12%のSDS-PAGE12 を用いてタンパク質分画を分離し、銀染色による帯状の可視化(13)。
  2. 標的タンパク質バンドを切除し、MALDI-TOF多調性硬化症分析のためにサンプルを提出します。
  3. NCBInrを用いたデータベース検索でタンパク質を同定します。

7. 抗菌ペプチド予測

  1. NCBInr解析から候補タンパク質配列を取得。
  2. 抗菌薬の可能性を、公開されているAMP予測ツール(例:DBAASP、APD3、AMPScanner、CAMPR4)およびデータベースを用いて評価します。
  3. 抗菌効果スコア、予測分類、物理化学的特性(正味電荷、疎水残基含有量、GRAVY指数[ExPASy ProtParam]、両親性)などの予測出力を抽出します。
  4. プラットフォーム間での計算結果を統合し、候補抗微生物タンパク質の優先順位をつけて検証を行います。
    注: インシリコ 予測は候補選択を支持するものであり、抗菌ペプチドの決定的な分類を構成するものではありません。

8. 統計的検定

  1. すべての実験は生物学的三重に行う。一方元ANOVAを用いてデータを解析し、その後ダンカンの多重範囲検定または適切な事後分析を95%信頼レベルで行います。

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結果

最適化されたタンパク質抽出、イオン交換分画、抗菌スクリーニング、タンパク質同定を統合した完全なタンパク質ベースのワークフローにより、 Tetraspora 属CU2551からの生体活性タンパク質分画の検出に成功しました。このプロトコルは、背景アーティファクトを最小限に抑えつつ、ネイティブタンパク質の完全性を保つよう設計されており、抗菌活性を定義されたクロマトグラフィー分画および電気泳動バンドと直接関連付けることを可能にします。

解析可能な結果を得るためには、溶解バッファーの最適化が極めて重要でした。元のバッファーは内在性抗菌活性を示し(表2)、偽陽性阻害を引き起こしました。16種類の製剤を体系的に試験した結果、0.01%(w/v)SDSと2 mMのβ-メルカプトエタノールを含む最適化されたバッファーが特定され、背景効果を排除しました。プルダウンアッセイでは、DEAE-セファロースに結合する負に帯電したタンパク質にのみ抗菌活性が示さ...

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ディスカッション

このプロトコルを用いて信頼性の高い抗菌薬の表示を得るためには、特にタンパク質抽出や早期バイオアクティビティスクリーニングの際に、いくつかの重要なステップを慎重に管理する必要があります。抗菌タンパク質スクリーニングにおいて、バッファー成分による背景阻害が偽陽性の原因となることが多いため、溶解バッファーの最適化が不可欠です。元のバッファー配合で観察された抗菌活性11は、SDSがリン脂質二重層に挿入して細菌膜を破壊する可能性があることから、14、βメルカプトエタノール濃度の上昇は酸化還元バランスを乱し細胞包絡関連タンパク質を不安定化させることで細菌の生存能力を損なう可能性があることを示しています15,16.したがって、SDSを0.01%(w/v)に還元し、β-メルカプトエタノールを2 mMに還元することが重要な修飾であり、検出可能な背景阻害を排除しつつ、藻類細胞の効...

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開示事項

著者には利益相反を主張するものはありません。

謝辞

この研究は、キングモンクット工科大学ラドクラバン理学部からの研究助成金(C. マニールッタナルングロジ(RA/TA-2566-M-013)およびキングモンクット工科大学ラドクラバン(Y. トナウット、KREF016329)からの助成金によって支援されました。質量分析はタイのマヒドン大学医療技術学部プロテオミクスサービスユニットによって実施されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アクリルアミド/ビスアクリルアミド溶液バイオ・ラッド研究所1610156SDS-PAGEゲル調製
カテゴリ:化学
アルコールランプ/バーンゼンバーナー様々な無菌技術
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リン酸バッファー(10 mM、pH 7.0)-クロマトグラフィーバッファー
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プローブソニケーター(VCX500)ソニックス&マテリアルズ社セル破壊 500 W、20 kHz、プローブ
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&α;-シアノ-4-ヒドロキシシンナミ酸(CHCA)ブルーカー・ダルトニックスMALDIマトリックス
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参考文献

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