1. Hodowla komórkowa (Rysunek 1)
- Hodować komórki w pożywce minimalnej z dodatkiem mikroelementów, soli, witamin oraz specyficznie znakowanych substratów węglowych, które są najodpowiedniejsze do badania danej ścieżki metabolicznej. Do hodowli komórkowej należy używać kolb z wytrząsaniem lub bioreaktorów. Nutrienty organiczne, takie jak ekstrakt z drożdży, mogą zakłócać pomiar znakowania aminokwasów, dlatego nie mogą one znajdować się w pożywce hodowlanej.
- Monitorować wzrost komórek poprzez pomiar gęstości optycznej hodowli przy optymalnej długości fali (np. OD730 dla Cyanothece 51142) przy użyciu spektrofotometru UV/Vis.
- Komórki można początkowo hodować w pożywce nieznakowanej. Do inokulacji pożywki znakowanej (stosunek inokulacji 3% (v/v)) zaleca się użycie komórek w środkowej fazie wzrostu logarytmicznego. Hodowlę znakowaną należy następnie poddać pasażowaniu (stosunek inokulacji 3% v/v) w tej samej pożywce znakowanej, aby uniknąć wprowadzenia nieznakowanego węgla z początkowego inokulum.
2. Ekstrakcja aminokwasów
- Zebrać subkulturowane komórki (10mL) w środkowej fazie logarytmicznej wzrostu poprzez wirowanie (10 min, 8000×g).
- Resuspendować osad w 1,5mL 6M HCl i przenieść go do przezroczystej szklanej fiolki do GC z zakrętką. Zakręcić fiolki i umieścić je w piecu w temperaturze 100°C na 24 godziny, aby zhydrolizować białka biomasy do aminokwasów. Hydroliza osadów biomasy może przynieść 16 z 20 powszechnych aminokwasów (Rycina 2) 5. Cysteina i tryptofan ulegają degradacji, a glutamina i asparagina są przekształcane odpowiednio w glutaminian i asparagian.
- Wirować roztwór aminokwasów z prędkością 20 000×g przez 5 min w probówkach Eppendorf 2 ml, a następnie przenieść nadsącz do nowych fiolek GC. Krok ten usuwa cząstki stałe z roztworu hydrolizy.
- Zdjąć zakrętki z fiolek GC i całkowicie osuszyć próbki strumieniem powietrza za pomocą ewaporatora Thermo Scientific Reacti-Vap (uwaga: do osuszania próbek można również użyć liofilizatora). Krok ten można przeprowadzić w ciągu nocy.
3. Derywatyzacja aminokwasów i warunki GC-MS
Analiza aminokwasów lub metabolitów naładowanych/silnie polarnych za pomocą GC wymaga ich pochodnejzacji, aby aminokwasy stały się lotne i mogły zostać rozdzielone metodą chromatografii gazowej 2.
- Rozpuścić wysuszone próbki w 150 μL tetrahydrofuranu (THF) oraz 150 μL odczynnika do derywatyzacji N-(tert-butyldimethylsilyl)-N-methyltrifluoroacetamide.
- Inkubować wszystkie próbki w inkubatorze lub łaźni wodnej w temperaturze od 65 do 80°C przez 1 godzinę. Okazjonalnie mieszać na wirówce typu vortex, aby upewnić się, że metabolity w fiolce zostały rozpuszczone.
- Wirować próbki z prędkością 20,000×g przez 10 min, a następnie przenieść nadsącz do nowych fiolek do GC. Nadsącz powinien być klarownym, żółtawym roztworem. Ze względu na nasycenie detektorów, dokładność pomiaru GC-MS może zostać zaburzona przez wysokie stężenie wstrzykniętych aminokwasów poddanych derywatyzacji TBDMS (próbki te często mają ciemnobrązowy kolor), dlatego przed pomiarem GC-MS należy rozcieńczyć takie próbki za pomocą THF 6.
- Próbki poddać analizie GC-MS (stosunek split 1:5 lub 1:10, objętość wtrysku = 1 μL, gaz nośny hel = 1.2 mL/min). Zastosować następujący program temperatury GC: utrzymywać 150°C przez 2 minuty, zwiększać temperaturę o 3°C na minutę do 280°C, zwiększać o 20°C na minutę do 300°C, a następnie utrzymywać przez 5 minut. Opóźnienie rozpuszczalnika (solvent delay) można ustawić na ok. 5 min (dla kolumny GC o długości 30 metrów). Zakres stosunku masy do ładunku (m/z) w MS można ustawić pomiędzy 60 a 500.
4. Analiza danych GC-MS
- Pomiar aminokwasów poddanych derywatyzacji TBDMS może być również pod wpływem dyskryminacji izotopowej podczas rozdziału GC. Izotopy lekkie poruszają się w kolumnie GC nieco szybciej niż izotopy ciężkie. Aby zmniejszyć potencjalne błędy pomiarowe, można uśrednić widmo masowe dla całego zakresu piku aminokwasu 6
- Widma GC i MS metabolitów poddanych derywatyzacji TBDMS były raportowane wcześniej7. Czas retencji GC oraz charakterystyczne piki m/z dla każdego aminokwasu przedstawiono na Rysunku 3.
- Derywatyzacja aminokwasów lub metabolitów centralnych wprowadza znaczące ilości naturalnie występujących izotopów, w tym 13C (1,13%), 18O (0,20%), 29Si (4,70%) i 30Si (3,09%). Szum pomiarowy wynikający z obecności naturalnych izotopów w surowym widmie izotopomerów masy można skorygować przy użyciu opublikowanego oprogramowania5, 8. Końcowe dane dotyczące znakowania izotopowego raportowane są jako frakcje masowe, np. M0, M1, M2, M3 i M4 (reprezentujące fragmenty zawierające od zera do czterech atomów węgla znakowanego 13C).
- Pomiar aminokwasów może dostarczyć informacji o znakowaniu izotopowym ośmiu kluczowych metabolitów prekursorowych: 2-oksoglutaranu, 3-fosfoglicerynianu, acetylo-CoA, erytrozo-4-fosforanu, szczawiooctanu, fosfoenolopirogronianu, pirogronianu i rybozo-5-fosforanu. Wzorce znakowania w tych metabolitach mogą być wykorzystane do identyfikacji kilku centralnych szlaków metabolicznych (Rysunek 2) 9. Wyniki eksperymentów z znakowaniem można dodatkowo potwierdzić przy użyciu innych metod biochemicznych (np. RT-PCR).
5. Analiza szlaków metabolicznych z wykorzystaniem danych o znakowanych aminokwasach
Badając jedynie kilka kluczowych aminokwasów uzyskanych z dobrze zaprojektowanych eksperymentów z użyciem znacznika 13C, możemy ujawnić szereg unikalnych szlaków lub aktywności enzymatycznych bez konieczności przeprowadzania złożonej analizy strumienia metabolicznego 13C dla całego metabolizmu centralnego.
- Szlak Entnera-Doudoroffa: jako źródło węgla można zastosować glukozę [1-13C]. Jeśli szlak ten jest aktywny, znakowanie seryny będzie znacznie niższe niż znakowanie alaniny 10.
- Rozgałęziony cykl TCA: jako źródło węgla można zastosować pirogronian [1-13C]. Jeśli cykl TCA jest przerwany, asparaginian może być znakowany dwoma atomami węgla, podczas gdy glutaminian jest znakowany tylko jednym atomem węgla 11, 12.
- Wiązanie CO2 w cyklu Calvina-Bensona-Basshama w metabolizmie miksotroficznym: jako źródła węgla stosuje się zarówno nieznakowany CO2, jak i znakowane substraty węglowe. Jeśli cykl Calvina jest funkcjonalny, znakowanie seryny i histydyny będzie znacznie rozcieńczone w porównaniu z innymi aminokwasami. Metoda ta pozwala określić względne wiązanie CO2 w obecności organicznych źródeł węgla w pożywce 13.
- Oksydacyjny szlak pentozofosforanowy: jako źródło węgla można zastosować glukozę [1-13C]. Jeśli szlak ten jest aktywny, udział nieznakowanej alaniny wyniesie >50% 12.
- Szlak anaplerotyczny (np. PEP + CO2 à szczawiooctan): jako źródło węgla można zastosować 13CO2 i nieznakowane substraty węglowe (np. glicerol lub pirogronian). Jeśli szlak ten jest aktywny, znakowanie asparaginianu będzie znacznie wyższe w porównaniu z alaniną i seryną 13.
- Re-cytrynianowa syntaza: jako źródło węgla można zastosować pirogronian [1-13C]. Jeśli enzym jest aktywny, glutaminian jest znakowany w grupie β-karboksylowej 3, 4.
- Szlak citramalanowy: jako źródło węgla można zastosować pirogronian [1-13C], glicerol [2-13C] lub octan [1-13C]. Jeśli szlak ten jest aktywny, stopień znakowania leucyny i izoleucyny jest identyczny 14.
- Cykl seryno-izocytrynianowej liazazy: jako źródło węgla można zastosować pirogronian [1-13C] lub mleczan [1-13C]. Jeśli szlak ten jest aktywny, znakowany będzie atom węgla na trzeciej pozycji w serynie 15.
- Wykorzystanie składników odżywczych (tj. egzogennych aminokwasów): można zastosować pożywkę z całkowicie znakowanymi substratami węglowymi i nieznakowanymi aminokwasami. Jeśli komórki selektywnie wykorzystują te suplementowane nieznakowane składniki odżywcze, zaobserwowany zostanie znaczny spadek stopnia znakowania tych aminokwasów w biomasie. Metodę tę można wykorzystać do zbadania, które suplementy odżywcze są preferowane przez komórkę 16.
6. Reprezentatywne wyniki
Niedawne badania nad bioenergetyką odżywiły zainteresowanie wykorzystaniem nowych mikroorganizmów fototroficznych do produkcji bioenergii i wychwytu CO2. W ostatnich latach zastosowano całkiem sporo analiz metabolizmu 13C, w tym zaawansowane analizy strumieni metabolicznych 13C (13C-MFA), aby zbadać centralny metabolizm bakterii fototroficznych, ponieważ wiedza biochemiczna na temat centralnych szlaków metabolicznych w tych organizmach niemodelowych nie jest wystarczająco ugruntowana10, 11, 17-20. Przedstawiamy tutaj przykład odkrycia alternatywnego szlaku syntezy izoleucyny u Cyanothece 51142 21. Cyanothece 51142 nie posiada enzymu (EC 4.3.1.19, treonina amoniak-liaza), który katalizuje przekształcenie treoniny w 2-ketomaślan w typowym szlaku syntezy izoleucyny. Aby rozstrzygnąć kwestię szlaku syntezy izoleucyny, hodujemy Cyanothece 51142 (20 mL) w pożywce ASP2 22 z 54 mM glicerolu (2-13C, >98%). Cyanothece 51142 wykorzystuje glicerol znakowany w pozycji 2nd jako główne źródło węgla. Obserwujemy, że treonina i alanina mają jeden znakowany węgiel, podczas gdy izoleucyna jest znakowana trzema węgielmi. Zatem synteza w Cyanothece 51142 nie może pochodzić ze szlaku treoninowego stosowanego przez większość organizmów (Rycina 4). Z drugiej strony leucyna i izoleucyna wykazują identyczne wzory znakowania w oparciu o fragment (M-15)+ i fragment (M-159)+. Na przykład dane izotopomerowe dla [M-15]+ (zawierające niefragmentowane aminokwasy) wykazują identyczne znakowanie dla leucyny (M0=0.01, M1=0.03, M2=0.21, M3=0.69) i izoleucyny (M0=0.01, M1=0.03, M2=0.24, M3=0.67). Zatem leucyna i izoleucyna muszą być syntetyzowane z tych samych prekursorów (tj. pirogronianu i acetylo-CoA). Obserwacja ta jest zgodna z przejściem znakowanego węgla w szlaku citramalanowym syntezy izoleucyny. Aby potwierdzić ten szlak, przeszukujemy bazę danych Joint Genome Institute i stwierdzamy obecność syntazy citramalanowej CimA (cce_0248) u Cyanothece.

Rycina 1.
Etapy analizy szlaków z wykorzystaniem 13C.

Rycina 2.
Aminokwasy wykorzystane do określenia wzoru znakowania ich prekursorów metabolicznych. ACoA, acetylo-CoA; AKG, α-ketoglutaran; C5P, rybozo-5-fosforan; CIT, cytrynian; E4P, erytrozo-4-fosforan; G6P, glukozo-6-fosforan; OAA, szczawiooctan; PEP, fosfoenolopirogronian; PGA, 3-fosfoglicerynian; PYR, pirogronian.

Rycina 3. Piki GC dla 16 aminokwasów. Aminokwasy poddane derywatyzacji TBDMS są rozbijane przez MS na dwa fragmenty: (M-57)+, zawierający cały aminokwas, oraz (M-159)+, w którym brakuje grupy α-karboksylowej aminokwasu. W przypadku leucyny i izoleucyny fragment (M-57)+ nakładał się na inne piki masowe. Sugerujemy wykorzystanie fragmentu (M-15)+ do analizy znakowania całego aminokwasu. Grupa (f302)+ jest wykrywana w większości aminokwasów i zawiera jedynie pierwszy (grupa α-karboksylowa) i drugi atom węgla w szkielecie aminokwasu. Ponieważ ten pik MS często charakteryzuje się wysokim stosunkiem szumu do sygnału, (f302)+ nie jest zalecany do ilościowej analizy strumieni metabolicznych7.

Rysunek 4.
Przejścia znakowania w szlakach izoleucyny u Cyanothece 51142 (zmodyfikowane z naszej poprzedniej publikacji)21.