Ten protokół obejmuje szczegółową analizę składu peptydoglikanu za pomocą chromatografii cieczowej, spektrometrii mas w połączeniu z zaawansowanym oprogramowaniem do ekstrakcji cech i analizy bioinformatycznej.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół obejmuje szczegółową analizę składu peptydoglikanu za pomocą chromatografii cieczowej, spektrometrii mas w połączeniu z zaawansowanym oprogramowaniem do ekstrakcji cech i analizy bioinformatycznej.
Peptydoglikan jest ważnym składnikiem ścian komórkowych bakterii i częstym celem komórkowym dla środków przeciwdrobnoustrojowych. Chociaż aspekty struktury peptydoglikanu są dość konserwatywne u wszystkich bakterii, istnieją również znaczne różnice między gram-dodatnimi/ujemnymi i między gatunkami. Ponadto istnieje wiele znanych odmian, modyfikacji lub adaptacji peptydoglikanu, które mogą wystąpić w obrębie gatunku bakterii w odpowiedzi na fazę wzrostu i/lub bodźce środowiskowe. Odmiany te wytwarzają wysoce dynamiczną strukturę, o której wiadomo, że uczestniczy w wielu funkcjach komórkowych, w tym we wzroście/podziale, oporności na antybiotyki i unikaniu obrony gospodarza. Aby zrozumieć zmienność w obrębie peptydoglikanu, należy rozłożyć całą strukturę na części składowe (znane jako muropeptydy) i ocenić pod kątem ogólnego składu komórkowego. Peptidoglycomics wykorzystuje zaawansowaną spektrometrię mas w połączeniu z zaawansowaną analizą danych bioinformatycznych o dużej mocy, aby szczegółowo zbadać skład peptydoglikanu. Poniższy protokół opisuje oczyszczanie peptydoglikanu z kultur bakteryjnych, pozyskiwanie danych o intensywności muropeptydów za pomocą chromatografu cieczowego - spektrometru masowego oraz analizę różnicową składu peptydoglikanu przy użyciu bioinformatyki.
Peptydoglikan (PG) jest cechą charakterystyczną bakterii, która służy do utrzymania morfologii komórki, zapewniając jednocześnie wsparcie strukturalne dla białek i innych składników komórkowych1,2. Szkielet PG składa się z naprzemiennie połączonych β-1,4 kwasu N-acetylomuraminowego (MurNAc) i N-acetyloglukozaminy (GlcNAc)1,2. Każdy MurNAc posiada krótki peptyd związany z resztą ᴅ-laktylu, który może być usieciowany z sąsiednimi peptydami połączonymi z disacharydem (Rysunek 1A,B). To sieciowanie tworzy strukturę przypominającą siatkę, która obejmuje całą komórkę i jest często określana jako worek (Rysunek 1C). Podczas syntezy PG prekursory są generowane w cytoplazmie i transportowane przez błonę cytoplazmatyczną przez flippazy. Prekursory są następnie włączane do dojrzałego PG przez enzymy transglikozylazy i transpeptydazy, które wytwarzają odpowiednio wiązania glikozydowe i peptydowe3. Jednak po złożeniu bakterie wytwarzają liczne enzymy, które modyfikują i/lub degradują PG w celu przeprowadzenia szeregu procesów komórkowych, w tym wzrostu i podziału. Ponadto wykazano, że różne modyfikacje PG nadają adaptacje specyficzne dla szczepu, warunków wzrostu i stresu środowiskowego, które są związane z sygnalizacją komórkową, opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe i unikaniem odporności gospodarza4. Na przykład powszechną modyfikacją jest dodanie grupy acetylowej C6 do MurNAc, która nadaje odporność poprzez ograniczenie dostępu do wiązań glikanowych β-1,4 do enzymów lizozymowych wytwarzanych przez gospodarza, które degradują PG4,5,6. W enterokokach zastąpienie końcowego ᴅ-Ala łańcucha bocznego peptydu przez ᴅ-Lac nadaje większą odporność na środek przeciwdrobnoustrojowy, wankomycyna7,8.
Ogólna procedura izolacji i oczyszczania PG pozostała względnie niezmieniona od czasu, gdy została opisana w latach 60. XX wieku9. Błony bakteryjne rozpuszcza się poprzez obróbkę cieplną SDS, a następnie enzymatyczne usuwanie związanych białek, glikolipidów i pozostałego DNA. Oczyszczony nienaruszony woreczek może być następnie trawiony na poszczególne składniki w wyniku hydrolizy wiązania β-1,4 między GlcNAc i MurNAc. W wyniku tego trawienia powstają disacharydy GlcNAc-MurNAc z nienaruszonymi modyfikacjami strukturalnymi i/lub usieciowaniami krzyżowymi, nazywane są muropeptydami (Rysunek 1B).
Analiza składu PG została początkowo przeprowadzona za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej (HPLC) w celu oczyszczenia każdego muropeptydu, a następnie ręcznej identyfikacji muropeptydów10,11. Od tego czasu została ona zastąpiona przez tandemową spektrometrię mas chromatografii cieczowej (LC-MS), która zwiększa czułość wykrywania i zmniejsza nakład pracy ręcznej związanej z oczyszczaniem każdego pojedynczego muropeptydu. Jednak czasochłonny i złożony charakter ręcznej identyfikacji muropeptydów pozostał czynnikiem ograniczającym, zmniejszając liczbę prowadzonych badań. W ostatnich latach, wraz z pojawieniem się technologii "omicznych", zautomatyzowana ekstrakcja cech LC-MS stała się potężnym narzędziem, pozwalającym na szybkie wykrywanie i identyfikację pojedynczych związków w złożonych próbkach z bardzo dużych zbiorów danych. Po zidentyfikowaniu cech oprogramowanie bioinformatyczne statystycznie porównuje różnice między próbkami za pomocą analizy różnicowej, izolując nawet minimalne różnice w złożonym zbiorze danych i wyświetlając je graficznie użytkownikowi. Dopiero zaczęto badać zastosowanie oprogramowania do ekstrakcji cech do analizy składu PG12,13,14 i sprzężone z analizą bioinformatyczną12. W przeciwieństwie do analizy proteomicznej, która korzysta z łatwo dostępnych baz danych białek, które przewidują fragmentację peptydów, co pozwala na w pełni zautomatyzowaną identyfikację, obecnie nie istnieje biblioteka fragmentacji dla peptydoglikomiksów. Jednak ekstrakcja cech może być połączona ze znanymi i przewidywanymi strukturalnymi bazami danych w celu przewidywania identyfikacji muropeptydów12. W tym miejscu przedstawiamy szczegółowy protokół wykorzystania ekstrakcji cech opartej na LC-MS w połączeniu z biblioteką muropeptydów do automatycznej identyfikacji i bioinformatycznej analizy różnicowej składu PG (Rysunek 2).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie próbki peptydoglikanu
2. Akwizycja danych ze spektrometrii mas
3. Analiza różnicowa obfitości muropeptydów
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zwiększona czułość wykrywania maszyn MS w połączeniu z oprogramowaniem do rozpoznawania pików o dużej mocy poprawiła możliwość izolowania, monitorowania i analizowania składu substancji złożonych próbek w najdrobniejszych szczegółach. Korzystając z tych osiągnięć technologicznych, ostatnie badania nad składem peptydoglikanu zaczęły wykorzystywać techniki automatycznej ekstrakcji cech LC-MS12,13,14,24...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół ten opisuje metodę oczyszczania peptydoglikanu z kultur bakteryjnych, procesu wykrywania LC-MS i analizy składu przy użyciu technik bioinformatycznych. Tutaj skupiamy się na bakteriach Gram-ujemnych i wymagana będzie niewielka modyfikacja, aby umożliwić analizę bakterii Gram-dodatnich.
Przygotowanie muropeptydów pozostało praktycznie takie samo od czasu jego pierwszej produkcji w latach 60. 9,11,15.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Autorzy chcieliby podziękować dr Jennifer Geddes-McAlister i dr Anthony'emu Clarke'owi za ich wkład w udoskonalenie tego protokołu. Prace te były wspierane przez granty operacyjne z CIHR przyznane C.M.K (PJT 156111) oraz NSERC Alexander Graham Bell CGS D przyznane E.M.A. Figury powstały w dniu BioRender.com.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| C18 kolumna z odwróconymi fazami - Kolumna peptydowa AdvanceBio (100 mm x 2,1 mm 2,7 µ m) | Akwizycja danych | Agilent | |
| Regulator płaszcza grzewczego, Optichem | Fisher | 50-401-788 | do 4% SDS wrzącego |
| płaszcza grzewczego, 1000 ml półkulisty | CG1000008 | Fishera do 4% inkubatora wrzenia SDS | |
| , 37° C | do oczyszczania sakculi i przygotowywania próbek MS | ||
| Kondensator Leibig, 300MM 24/40, | Fisher | CG121805 | do 4% wrzenia SDS |
| Liofilizator | Labconco | do liofilizacji sacculi | |
| Mieszadło magentyczne | Fisher | 90-691-18 | wrzenia 4% SDS |
| Q-Tof model UHD 6530 | Akwizycja danych | Aglient | |
| filtry do mikrowirówek, Nanosep MF 0,2 i mikro; | m Fisher | 50-197-9573 | oczyszczanie próbki przed wstrzyknięciem MS Stojak |
| na retortę | Fisher | 12-000-102 | do wrzenia 4% SDS |
| Zacisk retortowy | Fisher | S02629 | do 4% SDS wrząca |
| kolba okrągłodenna - 1 litr pyrex | Fisher | 07-250-084 | do 4% wrzenia SDS |
| Sonicator model 120 | Fisher | FB120 | do oczyszczania kości krzyżowej |
| Sonicator - mikro końcówka | Fisher | FB4422 | do oczyszczania sacculi |
| Ultrawirówka | Stopnie mycia sacculi | Beckman | |
| Butelki ultrawirówki, Ti45 | Fisher | NC9691797 | kroki do mycia sacculi |
| wodę | Miasto | dla skraplacza | |
| Software | |||
| Chemdraw | Cambridgesoft | do przewidywania fragmentacji muropeptydów | |
| Excel | Microsoft | przegląda listy adnotowanych muropeptydów, liczebności, wzorców izotopowych itp. | |
| Akwizycja MassHunter | Aglient | z uruchomionym instrumentem QTOF | |
| MassHunter Mass Profiler Professional | Bioinformatyczna analiza różnicowa | Aglient | |
| MassHunter Personal Compound Database and Library Manager | Aglient | muropeptide m/z MS database | |
| MassHunter Profinder | Aglient | rekurencyjna ekstrakcja cech | |
| MassHunter Analiza jakościowa | Aglient | viewing MS i MS/MS chromatogramy | |
| Prism | Graphpad | Oprogramowanie do tworzenia wykresów | |
| Perseus | Max Plank Instytut Biochemii | Adnotacja | |
| < mocny>Materiał< / mocny> | |||
| Acetonitryl | Fisher | A998-4 | |
| Octan amonu | Fisher | A637 | |
| Amylaza | Sigma-Aldrich | A6380 | |
| Kwas borowy | Fisher | BP168-1 | |
| DNase | Fisher | EN0521 | |
| Kwas mrówkowy | Sigma-Aldrich | 27001-500ML-R | |
| LC-MS mieszanka tuningowa - HP0321 | Agilent | G1969-85000 | |
| Chlorek magnezu | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| Siarczan magnezu | Sigma-Aldrich | M7506 | |
| Mutanolizyna ze Streptomyces globisporus ATCC 21553 | Sigma-Aldrich | M9901 | |
| Azot gazowy (czystość >99%) | Praxair | NI 5.0UH-T | |
| Kwas fosforowy | Fisher | A242 | |
| Pronase E od Streptomyces griseus | Sigma-Aldrich | P5147 | |
| RNaza | Fisher | EN0531 | |
| Azydek sodu | Fisher | S0489 | |
| Borowodorek sodu | Sigma-Aldrich | 452890 | |
| Dodecylosiarczan sodu (SDS) | Fisher | BP166 | |
| Wodorotlenek sodu | Fisher | S318 | |
| Sód Fosforan (dwuzasadowy) | Fisher | S373 | |
| Fosforan sodu (monozasadowy) | Fisher | S369 | |
| Plamy-wszystko | Sigma-Aldrich | E9379 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie