$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Uwaga: Niezidentyfikowane bakterie z dowolnego środowiska mogą być chorobotwórcze i muszą być traktowane ostrożnie, stosując odpowiednie protokoły bezpieczeństwa biologicznego. Praca z żywymi kulturami musi być wykonywana w komorze bezpieczeństwa biologicznego klasy II przy użyciu procedur poziomu bezpieczeństwa biologicznego 2 (BSL-2). Więcej informacji na temat procedur BSL-2 można znaleźć w podręczniku CDC/NIH zatytułowanym "Bezpieczeństwo biologiczne w laboratoriach mikrobiologicznych i biomedycznych", strony 33-38. Dokument jest dostępny online pod adresem http://www.cdc.gov/biosafety/publications/bmbl5/BMBL.pdf. Należy nosić odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE), w tym fartuchy laboratoryjne, okulary ochronne oraz rękawice nitrylowe lub lateksowe. Należy przestrzegać standardowych praktyk mikrobiologicznych i środków ostrożności, a odpady niebezpieczne biologicznie muszą być odpowiednio usuwane.
Bakterie użyte w tej demonstracji zostały wyizolowane z Kartchner Caverns, AZ, USA, z czterech środowisk, w tym suchego nacieku, kamienia przepływowego, wilgotnego nacieku i kroplówki stalaktytowej (Tabela 1). Wszystkie izolaty zidentyfikowano za pomocą sekwencjonowania 16S rDNA i utrzymywano w temperaturze -80 °C w 25% pożywce glicerolu-R2 B. Wszystkie eksperymenty zostały zakończone w RT.
Uwaga: Zalecamy użycie tej samej metody przygotowania próbki do uzyskania widm masowych do budowy bazy danych i widm masowych niewiadomych. Wykazano wcześniej, że metoda przygotowania próbki wpływa na jakość widma i odtwarzalność3. Zastosowanie innej metody przygotowania próbki może spowodować nieprawidłową identyfikację niewiadomych, zwłaszcza gdy pożądana jest wyższa rozdzielczość taksonomiczna (np. na poziomie odkształcenia).
1. Osadzanie na tarczy MALDI
Uwaga: Kilka protokołów do uzyskania ekstraktów białkowych wymaga użycia kwasów i rozpuszczalników organicznych, które muszą być używane zgodnie z wytycznymi i informacjami zawartymi w ich odpowiednich Kartach Charakterystyki Substancji Niebezpiecznej (MSDS). Należy nosić odpowiednie środki ochrony indywidualnej, które będą się różnić w zależności od rodzaju i ilości użytych chemikaliów (np. fartuchy laboratoryjne, rękawice, okulary ochronne i środki ochrony dróg oddechowych muszą być używane podczas pracy ze znacznymi ilościami toksycznych, łatwopalnych rozpuszczalników, takich jak acetonitryl, oraz kwasów, takich jak kwas mrówkowy i trifluorooctowy).
- Umieść 1 μl ekstraktu białkowego niezawierającego żadnych żywotnych komórek (uzyskanego przy użyciu odpowiednich, wcześniej opisanych protokołów11-13) na płytce tarczowej MALDI ze stali nierdzewnej i pozostaw do wyschnięcia. Nałożyć wysuszony ekstrakt białkowy na 1 μl roztworu matrycowego (roztwór kwasu α-cyjano-4-hydroksy-cynamonowego) i pozostawić do wyschnięcia.
- Dla każdej kontrpróby biologicznej należy zauważyć odpowiednią liczbę kontrprób technicznych (od 5 do 20 kontrprób technicznych). W tym przypadku przygotowano 10 powtórzeń technicznych dla każdej kontrpróby biologicznej i przygotowano 3 powtórzenia biologiczne.
Uwaga: Zalecamy użycie tarczy tarczowej z polerowanej stali MALDI podczas korzystania z metody przygotowania próbki do ekstrakcji białka. Użycie szlifowanych stalowych płyt docelowych może spowodować rozprowadzenie i niezamierzone wymieszanie różnych próbek poza poszczególnymi dołkami na próbki.
- Nałóż 1 μl wzorca kalibru na tarczę celowniczą i pozostaw do wyschnięcia. Nałożyć 1 μl roztworu matrycowego i pozostawić do wyschnięcia.
- Umieścić 2 μl roztworu matrycowego na płytce docelowej jako kontrolę ujemną.
2. Akwizycja widm masowych
- Użyć spektrometru mas MALDI-TOF wyposażonego w laser azotowy (λ = 337 nm) i obsługiwanego za pomocą oprogramowania Bruker FlexControl.
- Zbierz każde widmo masy w dodatnim trybie liniowym, gromadząc 500 strzałów laserowych w przyrostach co 100 strzałów. Ustaw napięcie źródła jonów 1 na 20 kV; napięcie źródła jonów 2 do 18,15 kV; i napięcie soczewki do 9,05 kV. Należy pamiętać, że te parametry są specyficzne dla danego instrumentu i mogą wymagać regulacji na innych instrumentach w celu uzyskania optymalnych wyników.
- Ustaw zakres masy do ładunku dla automatycznej oceny widma od 2 do 20 kDa na ładowanie. Użyj algorytmu wykrywania pików środka ciężkości. Ustaw minimalny próg rozdzielczości na 100 Da. Ustaw próg stosunku sygnału do szumu (S:N) na 2. Ustaw minimalny próg intensywności na 100.
3. Budowa bazy danych
- Projektowanie baz danych
- Utwórz nową bazę danych w BioNumerics 7.1 za pomocą "Kreatora nowej bazy danych".
- Utwórz typ eksperymentu widma, np. Maldi, za pomocą poleceń w panelu "Typy eksperymentów".
- Utwórz poziomy za pomocą "Panelu projektu bazy danych". Dodaj nowe poziomy za pomocą polecenia "Poziom > Dodaj nowy poziom..." w menu "Baza danych". W tym miejscu utwórz odpowiednio poziom "Gatunek", poziom "Duplikat biologiczny" i poziom "Duplikat techniczny".
- Importowanie i wstępne przetwarzanie widm masy surowej
- Eksportuj surowe widma masowe jako pliki .txt za pomocą FlexAnalysis, klikając polecenie "Eksportuj widmo masy" > menu "Plik".
- Zaimportuj surowe widma masowe (pliki .txt) do bazy danych na poziomie kontrprób technicznych.
- Wstępnie przetworzyć surowe widma masowe.
- Importowanie i ponowne próbkowanie (przy użyciu algorytmu dopasowania kwadratowego).
- Wykonaj odejmowanie linii bazowej (za pomocą tarczy tocznej o rozmiarze 50 punktów).
- Oblicz szum [Continuous Wavelet Transformation (CWT)], gładki (okno Kaisera o rozmiarze okna 20 punktów i beta 10 punktów) i wykonaj drugie odejmowanie linii bazowej (tocząca się tarcza o rozmiarze 200 punktów).
- Wykrywanie pików [CWT przy minimalnym stosunku sygnału do szumu (S:N) wynoszącym 10].
- Po wstępnym przetworzeniu zapisz w bazie danych charakterystyczne wzorce każdego widma masowego, takie jak listy pików zawierające rozmiary pików, intensywności pików, S:N itp.
- Tworzenie widm mas kompozytowych
- Utwórz widma kompozytowe ze wstępnie przetworzonych widm za pomocą polecenia "Podsumowaj..." w menu "Analiza". Jako poziom docelowy należy wybrać "Replika biologiczna".
- W tym miejscu połącz widma masowe 10 technicznych powtórzeń tej samej kolonii, aby uzyskać złożone widmo masowe dla tej kolonii, co daje trzy złożone widma masowe dla tego izolatu na poziomie "kontrpróby biologicznej".
- W tym miejscu podsumuj trzy widma złożone, aby utworzyć jedno widmo złożone dla tego izolatu na poziomie "Gatunek".
Uwaga: Widmo złożone jest średnią punkt po punkcie z kontrprób technicznych. Powtórzenia o podobieństwie (korelacja Pearsona) do średniej mniejszej niż 95% (ustawienie domyślne) są wykluczane z kompozytu. Piki w widmach złożonych są wywoływane tylko wtedy, gdy są obecne w 75% (ustawienie domyślne) uwzględnionych powtórzeń. W przypadku kontrprób biologicznych ustawienia te wynosiły odpowiednio 90 i 60%.
4. Analiza danych widma masowego
- Zaznacz wpisy w bazie danych i utwórz porównanie, klikając polecenie "Utwórz nowe porównanie" w panelu "Porównania".
- W tym miejscu należy użyć widm mas na poziomie "kontrpróby technicznej" i/lub "kontrpróby biologicznej", aby pokazać porównania i analizy.
- Analiza skupień oparta na podobieństwie i skalowanie wielowymiarowe (MDS)
- Twórz grupy z kolorami. Wybierz trzy biologiczne widma mas złożonych i kliknij polecenie "Utwórz nową grupę z wyboru" w menu "Grupy", aby utworzyć grupę dla odpowiedniego izolatu. Wyznacz kolor automatycznie używany dla tych trzech widm masowych.
- Alternatywnie można zdefiniować stany pól z odpowiadającymi im kolorami za pomocą poleceń w panelu "Wpisy bazy danych" w taki sposób, aby każde grupowanie oparte na tym zdefiniowanym polu używało tego samego koloru zdefiniowanego dla tej grupy.
- Wykonaj analizę skupień. Kliknij polecenie "Oblicz analizę skupień" w menu "Grupowanie". Na stronie 1 Ustawienia porównania wybierz opcję "Korelacja Pearsona" i pozostaw inne parametry jako domyślne. Na stronie 2 wybierz "UPGMA". Następnie kliknij "Zakończ".
- Uzyskaj wykres MDS za pomocą polecenia "Skalowanie wielowymiarowe..." w menu "Statystyki".
- Dopasowanie szczytowe
- Kliknij typ widma "Maldi" w panelu "Eksperymenty". Następnie wybierz "Układ > Pokaż obraz". Widma są pokazane jako opaski żelowe.
- Wykonaj dopasowywanie pików za pomocą polecenia "Do peak matching" w menu "Spectra".
- Identyfikacja klas szczytów
- Wykonaj analizę głównych składowych (PCA). Zaznacz typ eksperymentu "Maldi" w panelu "Eksperymentalny" i użyj polecenia "Analiza głównych składowych..." w menu "Statystyczny", aby wykonać PCA.
- Wykonaj klastrowanie dwukierunkowe. Kliknij przycisk "Statystyki > Eksploracja macierzowa"... w oknie "Porównanie". Intensywność szczytów dopasowanych do klas pików jest reprezentowana za pomocą różnych kolorów (mapa cieplna).
5. Identyfikacja bakterii za pomocą niestandardowej bazy danych
- Metoda oparta na współczynniku podobieństwa
- Utwórz porównanie i wygeneruj dendrogram na podstawie widm masowych na poziomie "Repliki technicznej", jak opisano w kroku 4.3.3. Zachowaj dendrogram do porównania podobieństwa.
- Wybierz nieznane widmo mas i kliknij przycisk "Analiza > Zidentyfikuj wybrane wpisy". Pojawi się okno dialogowe identyfikacji.
- Wybierz typ klasyfikatora "Oparty na porównaniu" (lub zapisany klasyfikator) i kliknij "dalej". Na następnej stronie wybierz zapisany dendrogram jako porównanie referencyjne, a następnie kliknij "dalej".
- Wybierz "Podstawowe podobieństwo" jako metodę identyfikacji, a następnie kliknij "dalej".
- Wybierz "Maksymalne podobieństwo" jako metodę oceniania. Wpisz odpowiednie wartości progowe i minimalne wartości różnicy dla każdego parametru, a następnie kliknij "dalej".
- Po zakończeniu obliczeń pojawi się okno identyfikacji. W panelu "Wyniki" znajdują się członkowie bazy danych, którzy najlepiej pasują do nieznanego.
- Zapisz projekt identyfikacji i zweryfikuj identyfikację za pomocą polecenia "analiza krzyżowej walidacji" w panelu "Projekt identyfikacyjny".
- Potencjalna metoda oparta na biomarkerach
- Definiowanie klas szczytowych. W oknie "Matrix Mining" wybierz zestawy pików o wspólnych cechach i zdefiniuj te piki jako określone klasy pików (potencjalne biomarkery) za pomocą opcji "Spectra > Manage peak class types..." w oknie "Porównanie".
- W tym miejscu zdefiniuj klasy pików specyficzne dla każdego izolatu dla wszystkich 15 izolatów.
- Wybierz widma masowe niewiadomych i dopasuj piki tych widm do zdefiniowanych klas pików, jak opisano wcześniej.