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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
DNA estável-isótopo sondagem é um método de cultivo independente para identificar e caracterizar as comunidades ativa de microorganismos que são capazes de utilizar substratos específicos. Assimilação do substrato enriquecido em isótopo pesado leva a incorporação de átomos marcados em biomassa microbiana. Ultracentrifugação em gradiente de densidade recupera DNA marcado para jusante análises moleculares.
DNA estável-isótopo sondagem (DNA-SIP) é uma técnica poderosa para a identificação de microorganismos ativos que assimilar substratos de carbono especial e nutrientes em biomassa celular. Como tal, esta técnica de cultivo independente tem sido uma metodologia importante para a atribuição de função metabólica para as diversas comunidades que habitam uma grande variedade de ambientes terrestres e aquáticos. Após a incubação de uma amostra ambiental com isótopos estáveis compostos marcados, extraídos de ácido nucléico é submetido a ultracentrifugação de gradiente de densidade e fracionamento gradiente subseqüentes para separar ácidos nucléicos de densidades diferentes. Purificação de DNA a partir de cloreto de césio recupera rotulados e não rotulados DNA para a caracterização molecular posterior (por exemplo, impressões digitais, microarrays, bibliotecas clone, metagenomics). Este protocolo fornece vídeo JOVE visuais passo-a-passo explicações do protocolo para fracionamento de gradiente de densidade gradiente de ultracentrifugação, e recuperação de DNA rotulados. O protocolo também inclui dados de amostra SIP e destaca dicas importantes e cuidados que devem ser considerados para garantir uma análise de DNA SIP-sucedido.
1. Preparação dos Reagentes
DNA-SIP requer o uso de reagentes que devem ser preparadas com antecedência do procedimento real. As instruções para preparar cada reagente estão listados nesta seção e são modificadas a partir de um anterior protocolo SIP 1.
2. A incubação de amostras e de extração de DNA
Para o DNA-SIP incubações, as amostras são geralmente incubadas com heavy-isótopos de carbono (13 C) substrato. Períodos de incubação e condições (por exemplo, nutrientes suplementação, luz, humidade) irá variar dependendo do tipo de amostra é incubada e que a natureza do substrato. DNA-SIP experimentos foram realizados com sucesso utilizando uma variedade de compostos de carbono simples 2,3, multi-carbono compostos 4,5,6, e usando nitrogênio rotulados 7,8 ou oxigênio 9. No entanto, uma desvantagem de usar 15 N-18 ou O-rotulados compostos é a separação física diminuiu de ácido nucléico marcado, principalmente devido à presença de menor número de átomos de nitrogênio e oxigênio no DNA e RNA em relação ao carbono.
Um controle crítico para DNA-SIP experimentos é uma incubação idêntica estabelecida com substrato (por exemplo, 12 C) nativa. Esta incubação fornece uma posterior comparação para assegurar que a rotulagem aparente de ácido nucléico não era um artefato da ultracentrifugação ou G + C diferenças de densidade no conteúdo de DNA contribui para a separação 10. Também é importante para manter o material de amostra congelada para a comparação com 'light' e DNA "pesado", e vale a pena, incluindo um controle não-substrato para avaliar as mudanças de fundo em toda a população de incubação SIP.
3. Soluções para preparar Gradient Ultracentrifugação
Este procedimento envolve a adição de DNA para ultracentrífuga tubos. Há mais de um tipo de tubo e rotor de modo que o protocolo exato vai variar e dependerão as instruções do fabricante. Dito isto, recomendamos a utilização de um rotor vertical-bem para garantir a separação máxima possível de DNA leves e pesados. Nós usamos um Beckman-Coulter Vti 65,2 rotor com 16 poços para a realização de 5,1 ml tubos Polyallomer QuickSeal eo protocolo irá fornecer os passos e considerações para estas condições.
4. Criando um gradiente de controle EtBr (opcional)
EtBr porque é um corante que intercalando complexos com DNA tornando-se visíveis sob luz UV, gradientes de controle contendo EtBr são úteis porque fornecem confirmação visual imediata de formação de gradiente antes de fracionamento de tubos de amostra (eg Figura 1). A inclusão de um tubo controle contendo EtBr e uma mistura de ambos DNA 12 C e 13 C-DNA (ou DNA-14 N e 15 N-DNA) permite a visualização imediata da formação da banda dentro dos tubos após a conclusão da ultracentrifugação. Isto é importante porque um tubo rompido durante a ultracentrifugação ou condições de executar incorretamente programadas podem resultar na formação de gradiente falhou. Ligado ao DNA, EtBr diminui a densidade do DNA e, como resultado, um protocolo diferente é seguido para preparar gradientes. Note-se que outras manchas de ácido nucléico pode ser usado em vez de EtBr 11, mas o protocolo exigirá otimização com fluoróforos outros.
5. Ultracentrifugação
6. Fracionamento gradiente
Existem dois métodos que são usados atualmente para recuperar DNA dos tubos de ultracentrífuga: fracionamento e extração de agulha. Este protocolo só irá descrever o processo de extração de DNA utilizando a técnica de fracionamento. Isto porque para a maioria dos experimentos SIP, DNA marcado não pode ser visualizado com EtBr vez e deve ser detectada através da comparação de luz equivalente e frações pesadas a partir de tubos de amostra múltiplas. A bomba de seringa é altamente recomendado para recuperar frações iguais gradiente de densidade de tubos de ultracentrífuga. Nós usamos uma bomba de infusão modelo BSP (Braintree Scientific Inc.). Uma bomba de baixo fluxo ou uma bomba peristáltica HPLC também pode ser usado.
7. DNA Precipitação
8. Caracterização fração
O método utilizado para caracterizar as frações do gradiente para avaliar o sucesso de uma incubação SIP irá variar dependendo do laboratório e disponibilidade de equipamentos. Usando um método de impressão digital para alvejar o gene 16S rRNA é uma abordagem comum e métodos como terminal polimorfismo de fragmentos de restrição (T-RFLP) ou eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE) são apropriados (Figura 1). Seguindo o protocolo descrito acima, esperamos que o DNA de luz para ser associado com frações 9-11 (~ 1,705-1,720 g ml -1) e as impressões digitais de DNA pesado para ser associados em frações 5-8 (~ 1,720-1,735 g ml -1 ). Impressões digitais únicas associadas com frações 5-8 de isótopos estáveis amostras incubadas, mas não com substrato nativo controles incubados fornece fortes evidências de ligação entre organismos específicos com o metabolismo do substrato marcado particular. Se o DNA marcado permanece insuficiente para algumas aplicações (hibridização, metagenomics), amplificação de deslocamento múltiplos podem ser usados para produzir maiores quantidades 13-15 mas isso pode introduzir quimeras no DNA amplificado 14,16.
DNA típico SIP-resultados irão demonstrar uma separação de DNA rotulados e não rotulados no gradiente formado por ultracentrifugação. Idealmente, a resolução completa do material genético de alto peso molecular (por exemplo, 13 C, 15 N) a partir de materiais sem rótulos serão alcançados. Resolução pode ser testemunhado visualmente, observando a formação da banda em tubos de controle EtBr. As concentrações de DNA genômico recuperados contidas nas frações gradiente individuais também podem ser utilizados para confirmar a formação de gradiente adequado.
Para este protocolo, que incluem os resultados representante da ultracentrifugação de gradiente realizada utilizando ácido nucléico de duas culturas puras (Figura 2). O gradiente fracionado aqui incluída foi elaborada utilizando DNA genômico extraído de S. meliloti (ATCC 1021), e 13 C-marcado M. str capsulatus. Bath. Após a recuperação fracionamento ultracentrifugação, e DNA, rotulados e não rotulados DNA genômico separadas em frações respectivo gradiente com diferentes densidades (Figura 2A). Heavy-isótopo DNA rotulados podem ser observados em frações de 4-5, enquanto o DNA é encontrado sem identificação em altas concentrações nas frações 9-10. O DNA de cada fração foi caracterizada por eletroforese em gel com gradiente de desnaturação 17 e os produtos de PCR-amplificado gerado discretos padrões de bandas correspondentes aos dois organismos incluídos no gradiente (Figura 2B). A densidade das frações variaram de ~ 1,580-1,759 g ml -1, e eles são mostrados em ordem decrescente de densidade da esquerda para a direita.
Embora a separação de 13 pura e C-12 C-DNA pode ser pronunciado (Figura 2), incubações de amostras ambientais podem ser mais difíceis de interpretar. Por exemplo, nós incubadas tundra solos de Resolute Bay (Nunavut, Canadá) com um C-12 ou 13 C-glicose marcada por um período de 14 dias a 15 ° C. Os géis de agarose de DNA purificado gradiente de fração demonstraram que o DNA genômico foi "manchado" em frações 70-10 para os 12 C-13 e C-incubações (Figura 3A e 3C, respectivamente). Neste caso, 13 C enriquecimento da biomassa microbiana em particular da taxa só pode ser determinada com uma abordagem como a DGGE dos genes 16S rRNA. Os 12 C-glicose DNA solo incubado gera padrões semelhantes em todas as frações do gradiente (Figura 3B), mas os 13 da amostra C-glicose incubadas gerada DGGE impressões digitais que são exclusivamente associados com as frações 5-8 (Figura 3D). De particular interesse são as bandas conservada indicado pelas setas. Este "phylotype" dominante é consistente em todas as frações do gradiente, mas desloca-se para fracções mais pesadas de DNA obtido a partir de 13 C do solo glucose-incubadas. DNA posterior seqüenciamento desta banda e / ou análise de clone biblioteca confirmaria a identidade deste especial gene rRNA 16S e guia metagenomic subseqüentes ou cultivo baseado em abordagens.

Figura 1. Esboço de um experimento envolvendo DNA-SIP de incubação da amostra, extração de DNA, ultracentrifugação gradiente de CsCl densidade e caracterização de DNA com técnicas moleculares.

Figura 2. Resultados esperados para um fracionamento gradiente SIP incluindo DNA de duas culturas puras. (A) Alíquotas de DNA a partir de frações de gradiente 1-12 foram executados em um gel de agarose 1% a partir de um gradiente contendo 13 C-marcado M. capsulatus Bath tensão (frações 4-6) e 12 C-marcado S. meliloti (frações 8-10). Uma escada 1-kb está incluído para comparação (B) DNA amplificado por PCR a partir de frações mesmo foram executados em um gel de DGGE de 10%. Padrões de impressões digitais revelam diferenças distintas entre as frações 5 e 9, por exemplo.

Figura 3. Resultados esperados para fracionamento gradiente SIP de incubações amostra de solo. Alíquotas das frações do gradiente de ambos os solos 12 C-glicose alterada (A) e 13 do solo C-glicose alterada (C) foram executados em gel agarose 1% e uma escada 1-kb está incluído para comparação. DGGE impressões digitais correspondentes para cada uma dessas amostras são mostrados na (B) e (D). Fingerprinting de frações revela enriquecimento da taxa bacteriana particular na amostra 13 C-glicose alterada em frações 5-8 (D).
DNA estável-isótopo sondagem é um método de cultivo independente para identificar e caracterizar as comunidades ativa de microorganismos que são capazes de utilizar substratos específicos. Assimilação do substrato enriquecido em isótopo pesado leva a incorporação de átomos marcados em biomassa microbiana. Ultracentrifugação em gradiente de densidade recupera DNA marcado para jusante análises moleculares.
Este trabalho foi financiado pelo Projeto Estratégico e Subsídios Descoberta a JDN das Ciências Naturais e Engenharia Council of Canada (NSERC).
| Reagente azul de bromofenol | Reagente | Fisher Scientific | BP115-25 | |
| Reagente de cloreto de césio | Fisher Scientific | BP210-500 | ||
| Etanol, reagente de grau | reagente Reagente | Sigma-Aldrich | 652261 | |
| Brometo de etídio | Reagente | Sigma-Aldrich | E1510 | |
| Reagente de ácido clorídrico | Reagente | de poliacrilamida linear 351285212 | da Fisher Scientific | |
| Applichem | A6587 | |||
| Reagente de polietilenoglicol 6000 | Reagente | VWR international | CAPX1286L-4 | |
| Reagente | decloreto de potássio | Fisher Scientific | AC42409-0010 | |
| Reagente | de cloreto de sódio | Fisher Scientific | S2711 | |
| O hidróxido de sódio granula | oreagente | Fisher Scientific | S3181 | |
| Tris base | Reagente | Fisher Scientific | BP1521 | |
| Dark Reader | Equipment | Clare Chemical | DR46B | |
| Microcentrifuge | Equipment | Eppendorf | 5424 000,410 | |
| Nanodrop 2000 | Equipamentos | Fisher Scientific | 361013650 | |
| Equipamento de bomba de infusão | Braintree Scientific, Inc. | N/A | Número do modelo: BSP Consulte www.braintreesci.com para obter detalhes sobre o pedido. | |
| Equipamento de selagem de tubos | Beckman Coulter Inc. | 358312 | ||
| Equipamento | deUltracentrífuga | Beckman Coulter Inc. | ||
| Equipamento de rotor de ultracentrífuga | Beckman Coulter Inc. | 362754 | ||
| Fonte de luz ultravioleta | Equipamento | UVP Inc. | 95-0017-09 | Qualquer fonte de UV será suficiente |
| Protetor facial de luz ultravioleta | Equipamento | Fisher Scientific | 114051C | |
| Rolhas de borracha butílica, cinza | Material | Sigma-Aldrich | 27232 | |
| Tubos de centrífuga | Material | Beckman Coulter Inc. | 342412 | |
| Agulha hipodérmica, calibre 23, comprimento de 2” | Material | BD Biosciences | 305145 | |
| Tubos Microfuge, 1,5 mL | Material | DiaMed | AD151-N500 | |
| Selos de centro aberto, diâmetro de 20 mm | Material | Pipetas Pasteur Sigma-Aldrich | 27230-U | |
| , vidro | Material | Fisher Scientific | 13-678-6C | |
| Pontas de pipeta | Material | DiaMed | BPS340-1000 | O número de catálogo é para 200 μ l dicas. 10 ou 20 μ l podem ser compradas da mesma fonte |
| Tubo da bomba 1,5 mm de diâmetro x 1,5 mm de parede | Material | Appleton Woods | ||
| Tubos com tampa de rosca, 15 mL | Material | Frascos de soroDiaMed | AD15MLP-S | |
| , volume de 125 mL | Material | Seringa Z114014 | Sigma-Aldrich | |
| , 60 mL | Material | BD Biosciences | 309653 |