Ten protokół opisuje efektywną metodologię ekstrakcji i kwantyfikacji kofeiny w zawiesinach komórkowych C. arabica L. oraz eksperymentalny proces oceny aktywności enzymatycznej syntazy kofeiny z poziomem ekspresji genu kodującego ten enzym.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół opisuje efektywną metodologię ekstrakcji i kwantyfikacji kofeiny w zawiesinach komórkowych C. arabica L. oraz eksperymentalny proces oceny aktywności enzymatycznej syntazy kofeiny z poziomem ekspresji genu kodującego ten enzym.
Kofeina (1,3,7-trimetyloksantyna) to alkaloid purynowy obecny w popularnych napojach, takich jak kawa i herbata. Ten wtórny metabolit jest uważany za obronę chemiczną, ponieważ ma działanie przeciwdrobnoustrojowe i jest uważany za naturalny środek owadobójczy. Kofeina może również wywoływać negatywne efekty allelopatyczne, które uniemożliwiają wzrost otaczających roślin. Ponadto ludzie na całym świecie spożywają kofeinę ze względu na jej działanie przeciwbólowe i pobudzające. W związku z zainteresowaniem technologicznymi zastosowaniami kofeiny rozwinęły się badania nad szlakiem biosyntezy tego związku. Badania te koncentrowały się przede wszystkim na zrozumieniu mechanizmów biochemicznych i molekularnych, które regulują biosyntezę kofeiny. Hodowla tkankowa in vitro stała się użytecznym systemem do badania tego szlaku biosyntezy. W tym artykule opisano krok po kroku protokół oznaczania ilościowego kofeiny i pomiaru poziomów transkryptu genu (CCS1) kodującego syntazę kofeiny (CS) w zawiesinach komórkowych C. arabica L., a także jego aktywności.
Kofeina jest metabolitem wtórnym, który jest biosyntetyzowany przez rośliny z rodzaju Coffea1. Alkaloid ten należy do rodziny metyloksantyny i jest uważany za chemiczną obronę roślin, ponieważ może działać przeciwko niekorzystnym skutkom patogenów i roślinożerców2,3. Ponadto metabolit ten jest odpowiedzialny za stymulujące właściwości napoju kawowego, który jest powszechnie spożywany na całym świecie4,5. Ze względu na jego właściwości kilka grup badawczych jest zainteresowanych badaniem szlaku biosyntezy i katabolizmu kofeiny6,7. Obecnie roślinne hodowle komórek/tkanek in vitro służą jako alternatywa do oceny akumulacji kofeiny w ramach różnych strategii biotycznych i abiotycznych8,9.
Biosynteza kofeiny polega na hydrolitycznym uwalnianiu 7-metyloksantyny z odpowiedniego nukleozydu rybozy, po którym następują uporządkowane N-metylacje w pozycjach 3 i 1. Specyficzna N-metylotransferaza zależna od S-adenozylometioniny (SAM) katalizuje metylację w pozycji 7, podczas gdy syntaza teobrominy (TS) i CS są zaangażowane odpowiednio w metylacji 3 i 1, wytwarzając teobrominę i kofeinę. Badanie genów kodujących różne NMT pozwoliło zrozumieć mechanizm regulujący produkcję kofeiny10,11. CS, który ma aktywność N-metylotransferazy, katalizuje ostatnie dwa etapy szlaku biosyntezy kofeiny11. W siewkach kawowca wykazano, że promieniowanie świetlne może zwiększać aktywność CS, co skutkuje wzrostem biosyntezy kofeiny. Ostatnio wykazaliśmy, że utrzymanie zawiesin komórkowych C. arabica L. pod wpływem promieniowania świetlnego jest optymalnym warunkiem do oceny efektów, które wytwarzają abiotyczne czynniki stresowe wpływające na szlak biosyntezy kofeiny8. Informacje uzyskane w tych badaniach mogą mieć zastosowanie w inżynierii metabolicznej i biologii systemowej w celu maksymalizacji badania szlaku biosyntezy kofeiny w takich systemach in vitro.
Biorąc pod uwagę korzyści płynące z uzyskania odpowiedniego modelu do badania biosyntezy kofeiny, zoptymalizowaliśmy warunki ekstrakcji kofeiny na zawiesinach komórkowych C. arabica L. Udało się również opracować użyteczny protokół do badania aktywności enzymatycznej, a także kroki metodologiczne do oceny poziomu transkryptów genów syntazy kofeiny Coffea 1 (CCS1) kodujących ten enzym. W niniejszym artykule przedstawiamy protokół ekstrakcji i ilościowego oznaczania kofeiny w zawiesinach komórek C. arabica za pomocą chromatografii cienkowarstwowej i densytometrii (densytometria TLC).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Ekstrakcja kofeiny w zawiesinach komórkowych C. arabica L.
2. Warunki oceny kofeiny metodą chromatografii cienkowarstwowej (TLC)-densytometrii
3. Izolacja kwasu rybonukleinowego (RNA)
4. Inkubacja transkryptu RNA z deoksyrybonukleazą (DNazą)
5. Komplementarna synteza kwasu dezoksyrybonukleinowego (cDNA)
6. Ilościowy PCR w czasie rzeczywistym (qPCR) w celu amplifikacji genu CCS1
7. Całkowity ekstrakt białkowy z zawiesin komórkowych C. arabica L.
8. Test enzymatyczny dla syntazy kofeiny
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ekstrakty kofeiny uzyskane za pomocą przedstawionego tutaj procesu przeanalizowano metodą densytometrii TLC, poddając próbki chromatografii płytkowej zgodnie ze schematem pokazanym na Rysunku 1. Aby określić poziom kofeiny w ekstraktach komórkowych, wykorzystano krzywą z różnymi stężeniami komercyjnego standardu tego związku (Rysunek 2A). Profil absorbancji kofeiny przeanalizowano w widmie światła widzialnego (UV-VIS), wykorzystu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiono tutaj optymalne warunki do oceny zawartości kofeiny, aktywności CS i poziomów transkryptów w kulturze tkanek roślinnych in vitro, takich jak zawiesiny komórkowe C. arabica. Wcześniejsze doniesienia potwierdziły, że utrzymywanie komórek w warunkach lekkiego napromieniania i w obecności teobrominy w pożywce hodowlanej jest odpowiednim parametrem do zwiększenia poziomu kofeiny, co umożliwia ocenę metod rozdzielania kofeiny za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej z odwróconymi fazami...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Praca naszego laboratorium została sfinansowana z grantu od Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT 219893) dla SMTHS. Badania te były również wspierane przez stypendium przyznane RJPK (nr 37938) przez CONACyT i Sistema Nacional de Investigadores (4422). Autorzy dziękują firmie CIATEJ za wykorzystanie jej instalacji podczas pisania tego manuskryptu. Specjalne podziękowania kierujemy do dr Víctora Manuela Gonzáleza Mendozy za wszystkie zalecenia w sekcji biologii molekularnej oraz Valentína Mendozy Rodrígueza, IFC, UNAM za udogodnienia podczas kręcenia tego artykułu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Murashige & Skoog Mieszanina soli bazowej | Laboratoria fitotechnologiczne | M524 | Wielkość opakowania: 50 L Odczynnik (mg/L) Azotan amonu (1650) Kwas borowy (6.2) Chlorek wapnia, bezwodny (322,2) Chlorek kobaltu i byk; H2O (0,025) Siarczan miedzi i byk; 5H2O (0,025) Na2EDTA• 2H2O (37.26) Siarczan żelazawy• 7H2O (27,8) Siarczan magnezu, bezwodny (180,7) Siarczan manganu• H2O (16,9) Kwas molibdenowy (sól sodowa) i byk; 2H2O (0,25) Jodek potasu (0,83) Azotan potasu (1900) Fosforan potasu, jednozasadowy (170) Siarczan i byk; 7H2O (8,6) Uzupełniony mio-inozytolem (100) tiaminą (10) cysteiną (25) sacharozą (30000) kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (3) puryna 6-benzyloaminowa (1) |
| Kofeina | SIGMA | C0750-5G | STANDARD-5g |
| Teobromina | SIGMA | T4500 | 20 g |
| Skaner TLC CAMAG-4 | Oprogramowanie CAMAG | 27.62 | |
| WinCATS Planar Chromatography Manager Oprogramowanie | CAMAG | 1.4.10 | |
| Alkohol izoamylowy (24:1) | SIGMA | C-0549 | 500 ml |
| Cykloheksan | JALMEX | C4375-13 | 1 L |
| Aceton | J.T. BAKER | 4 L | |
| Metanol | J.T. BAKER | 9093-03 | 4 L |
| Chloroform | JALMEX | C-4425-15 | 3,5 l |
| żel krzemionkowy TLC 60 F254 | Merck | 1.05554.0001 | Płytka TLC |
| i beta;-merkaptoetanol | M6250 | SIGMA | 100 mL |
| (+)-sodu L-askorbinian | A4034 | SIGMA | 100 g |
| Baza Trizma | SIGMA | T6066 | 1 Kg |
| Kwas solny 36,5-38% | J.T. Baker | 9535-05 | 2,5 l |
| Zestaw do oznaczania białek Pierce BCA | do 232227 | Thermo scientific | Methyl |
| [3H]-S-adenozylometionina | Perkin Elmer | NET155 | Specyficzna aktywność 15 Ci/mmol |
| Fiolki do płynnego scyntylacji | SIGMA | Z253081 | |
| Termostatyczna kąpiel/cyrkulator | Cole Parmer | 60714 | |
| Mikroprobówka | wirówkowaEppendorf | Probówka z | |
| fiolkami kriogenicznymi | Heathrow Scientific | HS23202A | Wirówka 2 ml |
| 5804 | Eppendorf | 5804 000925 | |
| Vortex Thermolyne | LR 5947 | ||
| Moździerz porcelanowy | Fisherbrand | FB961B | |
| Bibuła filtracyjna | Whatman | Z274844 | Porowatość |
| Picofuge | Stratagene | 400550 | 2000 x g |
| Waga analityczna | AND | HR-120 | Model HR-120 |
| Licznik scyntylacyjny | Beckman Coulter | 6500 | |
| Żelowy system dokumentacji fotograficznej | Bio-Rad | Chemic XRS | Model Chemic XRS |
| Kompaktowa lampa UV | UVP | 95002112 | UVGL-25 |
| Scienceware HDPE Lejek Buchnera | Mieszalnik SIGMA | 2419907 | Typ 37600 |
| Odczynnik TRIzol | Thermo scientific | 15596-018 | 200 mL |
| ReverdAid Odwrotna transkryptaza | Thermo scientific | #EP0441 | 10000 U |
| Oligo (dT)18 podkład | Thermo scientific | #S0131 | 100 µ M |
| DNaza I, bez RNaz | Thermo scientific | #EN0525 | 1000 U |
| Chlorek magnezu | Thermo scientific | EN0525 | 1,25 mL |
| Kwas etylenodiaminotetraoctowy | Thermo scientific | EN0525 | 1 mL |
| dNTP mix | Thermo scientific | R0191 | R0191 |
| SYBR Green qPCR Master Mix (2X) | Thermo scientific | K0251 | Na 200 reakcji 25 &mikro; L |
| PikoReal | Thermo scientific | 2.2 | Oprogramowanie |
| Fenol, pH 8,0, zrównoważony, klasa biologii molekularnej, ultraczysty | USB | J75829 | 100 ml |
| alkoholu izopropylowego | Karal | 2040 | 1 l |
| alkoholu etylowego | SIGMA | 64175 | 1 l |
| pirowęglan dietylu | SIGMA | D5758 | 100 ml |
| Rotator laboratoryjny | LW Mod | . Naukowy Zobacz materiał LW210 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.