As análises proteômicas subcelulares (SCP) desempenham um papel fundamental na elucidação da patogênese bacteriana, analisando o proteoma dentro de compartimentos subcelulares específicos de células bacterianas. Essa abordagem proteômica subcelular caracteriza proteínas bacterianas em compartimentos distintos, reduzindo a complexidade ao excluir proteínas altamente abundantes e fornecendo informações sobre sua organização e abundância proporcional 1,2. Por exemplo, empregando técnicas de fracionamento subcelular e LC-MS / MS, um estudo sobre Shewanella oneidensis revelou uma parte substancial de seu proteoma, fornecendo detalhes cruciais sobre a arquitetura do compartimento da abundância de células e proteínas. Este estudo serve como uma estrutura fundamental para investigações subsequentes sobre a organização subcelular dentro de bactérias gram-negativas3. No domínio da patogênese bacteriana, delinear o proteoma bacteriano durante a infecção in vivo é imperativo para compreender os mecanismos que impulsionam a patogenicidade4. Investigar o proteoma de Salmonella intracelular dentro de células epiteliais em vários estágios de infecção tem sido fundamental para desvendar as estratégias adaptativas empregadas por patógenos bacterianos em seu meio intracelular 4,5. As estratégias SCP fornecem informações abrangentes sobre a dinâmica celular, avaliando a abundância e a translocação de proteínas em vários compartimentos celulares. Esse método facilita a identificação extensiva de proteínas de diversos compartimentos bacterianos, aprimorando a análise minuciosa dos proteomas bacterianos 6,7.
A distribuição subcelular das proteínas não apenas determina sua atividade funcional, mas também aumenta sua diversidade funcional8. Por exemplo, as enzimas exibem mecanismos regulatórios e níveis de atividade variados, dependendo de sua localização subcelular. As transglutaminases (TGases), por exemplo, exibem papéis ou mecanismos regulatórios distintos em diferentes compartimentos subcelulares nos tubos polínicos: as TGases citoplasmáticas incorporam aminas primárias em proteínas citosólicas (por exemplo, actina e tubulina) de maneira dependente de Ca(2+), interagindo com o citoesqueleto; as TGases de membrana estão associadas a Golgi e membranas plasmáticas, sugerindo um papel na entrega exocitótica; e TGases associadas à parede celular regulam o crescimento apical colocalizando-se com marcadores da parede celular. Essas distinções funcionais são mediadas por papéis específicos do compartimento9. Além disso, o reparo de proteínas oxidadas no envelope bacteriano ressalta o papel crítico dos sistemas enzimáticos dentro de compartimentos celulares específicos expostos a espécies reativas de oxigênio10. Considere-se a óxido nítrico sintase endotelial (eNOS), cuja localização subcelular é modulada por modificações lipídicas, influenciando sua interação com diversas membranas celulares11. A compartimentalização enzimática mantém ambientes distintos propícios a interações entre enzimas e substratos, facilitando assim processos metabólicos específicos do compartimento12.
Bactérias e outros procariontes não têm organelas subcelulares claras; Existem regiões distintas, incluindo citoplasma, membrana interna, periplasma e membrana externa. A maioria das funções bioquímicas e fisiológicas do organismo está organizada em vários compartimentos subcellar13. Assim, a localização subcelular de proteínas é importante para predizer suas características funcionais. No entanto, a extração de proteínas subcelulares de bactérias gram-negativas apresenta desafios devido à sua complexa bicamada fosfolipídica de membrana dupla. Os métodos convencionais de extração, empregando detergentes como o dodecil sulfato de sódio (SDS) e aditivos como a ureia, muitas vezes comprometem a integridade da proteína da membrana, impactando as análises a jusante14,15. Além disso, a composição lipídica desempenha um papel significativo na formação das alterações conformacionais das proteínas de membrana. O sucesso da solubilização depende de fatores como a relação detergente-lipídio-proteína, pois o processo envolve a inserção do detergente na bicamada lipídica seguida de solubilização da proteína16. A escolha do detergente é fundamental para a solubilização eficaz das proteínas da membrana, considerando fatores como temperatura do ponto de turvação e tempo de incubação17. O ambiente lipídico pode influenciar as alterações conformacionais das proteínas da membrana18,19.
Os detergentes são essenciais para extrair proteínas de membrana de membranas biológicas e garantir sua solubilidade em soluções aquosas, um pré-requisito para a purificação subsequente de proteínas. No entanto, a purificação de proteínas de membrana costuma ser um desafio porque elas são removidas de seu ambiente de membrana lipídica nativa e colocadas em um tampão detergente, que replica apenas parcialmente as propriedades físicas e químicas da membrana20. Após a extração, as proteínas de membrana são normalmente purificadas em processos subsequentes usando diálise, precipitação de proteínas e alguns métodos de cromatografia como proteínas solúveis20,21. A separação de fases oferece uma alternativa poderosa ou complemento aos protocolos de purificação baseados em cromatografia e pode ser aplicada diretamente a proteínas solubilizadas. Basicamente, a separação de fases permite que as proteínas integrais da membrana se dividam em fase enriquecida em detergente e proteínas citosólicas na fase aquosa empobrecida em detergente20,22. Vários detergentes foram descritos como sendo usados na solubilização de proteínas de membrana em estudos anteriores20. Estes incluem a família Triton (Triton X-100 & Triton X-114), família Tween (Tween-20, & -80), detergentes aniônicos, detergentes catiônicos, detergentes monoéter de polioxietilenoglicol, etc., mas eles têm prós e contras em termos de estrutura e função das proteínas20. As propriedades físico-químicas desses detergentes influenciam muito a partição de fases e a solubilização de proteínas de membrana20. Os detergentes são moléculas anfipáticas com um grupo polar e uma cadeia de hidrocarbonetos hidrofóbica. Em baixas concentrações, eles existem como monômeros na água. Acima da concentração crítica de micelas (CMC), formam micelas cujo tamanho depende do tipo de detergente, com o número de agregação indicando o número de moléculas por micela (também chamado de peso molecular da micela). Outro fator importante é o "ponto de turvação", que pode ser alcançado alterando a temperatura de uma solução aquosa de detergente micelar que se torna turva e, eventualmente, forma duas fases distintas. Esse processo é conhecido como separação de fases ou extração de ponto de nuvem. Um CMC alto pode produzir mais proteínas de membrana correspondentes a altas concentrações de detergente com ligação mais fraca, que podem ser dialisadas contra um tampão com uma concentração de detergente definida20. No entanto, atingir um alto CMC na maioria dos detergentes requer uma alta temperatura do ponto de turvação, o que pode afetar a estrutura e a função da proteína extraída e afetar os processos a jusante. Mesmo a alta concentração de detergente nesta fase pode ser prejudicial à proteína e criar problemas no manuseio de líquidos para pipetar o volume preciso devido à alta viscosidade. Por exemplo, o tritão X-100 tem um alto rendimento de proteínas de membrana na micela detergente acima da temperatura do ponto de turvação de 64-65 °C. Para manter a temperatura de trabalho, 9% -23% (NH4)2ENTÃO4 ou 16% -25% de adição de NaCl pode ser reduzida à temperatura ambiente (TR), resultando em uma alta concentração de detergente, o que provavelmente afeta a estabilidade da proteína. Da mesma forma, a extração baseada em interpolação usa uma alta temperatura de ponto de turvação (76 ° C para interpolação 20 e 93 ° C para interpolação 80). O detergente aniônico SDS é freqüentemente usado em aplicações de proteínas, mas geralmente desnatura proteínas20. Os pesquisadores, com o objetivo de extrair eficientemente as proteínas da membrana, identificaram o Triton X-114 como um detergente clássico devido à sua temperatura ideal do ponto de turvação de aproximadamente 22 ° C, ideal para estudos de proteínas de membrana. Introduzido pela primeira vez por Bordier em 1981, o Triton X-114 tem sido amplamente utilizado para extração e purificação de proteínas de membrana em diversas fontes, incluindo tecidos animais e vegetais, bem como microorganismos20,22. O baixo CMC do Triton X-114 impede sua remoção por diálise; no entanto, sua natureza suave minimiza a desnaturação das proteínas da membrana na fase enriquecida com detergente. Além disso, o Triton X-114 forma micelas menores (n = 7-8) em comparação com o Triton X-10020. O protocolo de estudo de James G. Pryde empregou Triton X-114 para extração de proteínas de membrana de células de mamíferos cultivadas. Usando uma temperatura de ponto de turvação acima de 20 ° C (incubação a 30 ° C por 3 min), as proteínas integrais da membrana particionaram na fase enriquecida com detergente, enquanto as proteínas periféricas e citosólicas foram recuperadas da fase aquosa empobrecida em detergente22. Além disso, David A. Haake et al. usaram Triton X-114 para extrair proteínas da membrana externa (OMPs) de Leptospira interrogans, com e sem CaCl2 como aditivo23,24. Estudos posteriores confirmaram que o Triton X-114 extrai efetivamente OMPs de compartimentos subcelulares sem aditivos como glicerol ou CaCl225,26. No entanto, a inclusão de sais pode aumentar a concentração de detergente, o que pode afetar estudos de proteoma em larga escala usando espectrometria de massa de alto rendimento20. Em nosso trabalho sobre análise de proteoma subcelular, empregamos Triton X-114 acoplado à espectrometria de massa em tandem, alcançando um enriquecimento significativo em todos os compartimentos subcelulares, incluindo proteínas citoplasmáticas, de membrana interna e de membrana externa25,26. O objetivo principal do presente protocolo é enriquecer eficientemente os compartimentos subcelulares de uma célula bacteriana gram-negativa típica, minimizando os problemas nos processos a jusante. Além disso, o protocolo foi projetado para ser econômico e eficiente em termos de tempo. Aqui, elaboramos o protocolo otimizado desenvolvido em laboratório para isolamento de proteínas subcelulares e discutimos cada gargalo encontrado durante o processo de extração.