Air-שנדגמו ניתוח סינון עבור אנדוטוקסינים ותוכן DNA
Summary
Two complementary analyses of atmospheric biological particles from air sampled filters are described herein: the extraction and detection of endotoxin, and of DNA.
Abstract
מחקר אירוסול חיצוני כלל משתמש חומר חלקיקי נדגמים מסננים. הליך זה מאפשר אפיונים שונים של חלקיקים שנאספו להתבצע במקביל. מטרת השיטה המוצגת כאן היא להשיג ניתוח מדויק והאמין ביותר של תוכן רעלן הפנימי ו- DNA של ביו-אירוסולים מופקים מסננים. הפקת מולקולות אורגניות משקל מולקולרי גבוה, כגון lipopolysaccharides, ממסנני שנדגמו כרוך רועד המדגם בתווך על בסיס מים pyrogen חינם. הניתוח שלאחר מכן מבוסס על תגובה האנזימטית כי ניתן לאתר באמצעות מדידת turbidimetric. כתוצאת התוכן האורגני הגבוה על מסנני שנדגמו, החילוץ של דנ"א הדגימות מתבצע באמצעות ערכת חילוץ DNA מסחרית אשר תוכננה במקור עבור קרקעות שונות כדי לשפר את תשואת DNA. איתור וכימות של מינים ספציפיים של חיידקים באמצעות Reacti שרשרת פולימראז כמותייםעל (q-PCR) ניתוח מתואר ולעומת משיטות אחרות.
Introduction
דגימת אוויר על מסננים הוא כלי בסיסי במחקר אירוסולים אטמוספריים. 1 המסננים שנדגמו הם נקודת המוצא כימית שונה, פיזי, ומאפיינים ביולוגיים של חלקיקי הסביבה שנאספו. 2-11 היתרון של גישה זו הוא כי ניתוחים שונים יכולים להיות ביצע off-line על מדגם זהה. ליקוט נתונים מכל הניתוחים השונים מאפשר לחוקר לקבל הבנה טובה של המאפיינים של חלקיקים שנאספו ועזרים בפתרון שאלות מורכבות בתחום מדעי האטמוספרה. 12,13 לדוגמה, ימיית יבשת אוויר-דגימות שנלקחו במהלך אותה תקופת ניתן להשוות ביחס רעילות החלקיקים שנדגמו והרכב ביולוגי. 14 לצורך המחקר, lipopolysaccharides (LPS), רכיבים על קירות תא החיידק גרם שליליים, הידוע גם בשם אנדוטוקסינים, חולצו מן מסננים שנדגמו על-shore ב אתר יבש, וכן הוערך באמצעותLimulus lysate amebocyte (LAL) הבדיקה. במקביל, ערכה הגנומי של תוכן החיידקים (חיידקים הכולל, גרמו שלילית, כחוליות) בוצעו על המדגם הזהה באמצעות תגובת שרשרת פולימרז כמוני (q-PCR). מבחן LAL מבוסס על מדידות של עכירות נוצרו בעקבות התוספת של תמצית מימית של amebocytes מן סרטן הפרסה, פוליפמוס Limulus, כדי בתמיסה מימית המכילה את אנדוטוקסינים. ריכוז רעלן הפנימי הגבוה ב המדגם, העכירות מהר מפתחת. 15 ניתוח q-PCR מבוסס על אותות קרינה נפלטים כמו קטע DNA ספציפי מוגבר. 16 על ידי ניטור בזמן אמת של האות בשלב המעריכים של PCR ניתן לכמת תגובת כיול עם עקומת סטנדרט, כמות ה- DNA הראשונית. השילוב של שני אלה מנתח יחד עם אחרים, כמפורט במקומות אחרים, 14 יכול לספק הערכה טובה של רמות של רעלן פנימי ואתכמות חיידקי המקור בדגימות.
מטרת השיטה המוצגת כאן היא להשיג ניתוח מדויק והאמין ביותר של תוכן רעלן הפנימי ו- DNA של ביו-אירוסולים מופקים מסננים. בעוד שיטות הדגימו את המאפיינים הכימיים הפיסיים אנאורגניים אירוסולים ידועות, ולאחרונה, שיטות פותחו כדי לחקור מרכיב החומר האורגני שלה, 17 חלו מחקר דל על המרכיב הביולוגי של אירוסולים. 18 רציונל הזרם שיטה היא לתת מענה לפער זה על ידי ההצגה בפירוט שיטה חזקה לחילוץ, ניתוח וזיהוי החלק הביולוגי של אירוסולים מוטסים. 14
השיטה המפורטת כאן צפויה למצוא שימוש רחב התפשט בפרויקטים מחקריים אירוסול מקורה ביולוגיים החיצוניים המעורבים ניתוח מסנן. 20-24
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מתארת שיטות חילוץ וזיהוי לכימות הוא אנדוטוקסינים ובהווה DNA בדגימות אירוסול שנאספו על מסננים. השיטות דורשות שגרות מדויקות וניתן לבצעו בקלות כל עוד בניסויים דבק כמה נקודות חיוניות וחשיבות דנו כאן.
עבור שלב זיהוי רעלן ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Dr. Yoav Barak from the Chemistry Faculty, Weizmann Institute, for support and advice. This study was supported by the Israel Science Foundation (grant # 913/12), and by the Minerva Foundation with funding from the Federal German Ministry for Education and Research.
Materials
| Filter sampling | |||
| HiVol 3000 – High Air Volume Sampler | Ecotech | ||
| Quartz Microfiber Filters | Whatman | 1851-865 | 203mm X 254mm |
| ELF – Laboratory Chamber Furnaces | Carbolite | ELF 11series | |
| Aluminum foil | Opal | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Endotoxin | |||
| Ethanol | Sigma Aldrich | 16368 | Laboratory Reagent, 96% |
| Airstream Class II Biological Safety Cabinet AC-4E1 | ESCO | 10011712 | |
| Pyrotell -T | Associates of Cape Cod, Inc. | T0051 | |
| Control Standard Endotoxin | Associates of Cape Cod, Inc. | E0005-1 | Escherichia coli O113:H10, 0.5 µg/vial 1 Pack |
| LAL Reagent Water | Associates of Cape Cod, Inc. | W0051 | |
| 10 mL sterile syringe with Luer-Lok Tip | Becton-Dickinson & Co. | 309605 | |
| BD Precisionglide syringe needle | Becton-Dickinson & Co. | 305129 | Sterile |
| Parafilm-M sealing tape | Parafilm | P7543 | Sigma catalog number |
| Microtubes | Axigen | MCT-200-C | 2ml, pyrogen free |
| 1.12 cm diameter Cork Borer | Boekel Scientific | 1601 BD Series – Steel | Part of a cork borer set containing borers with various diameters. |
| 50 mm Petri Dish | Miniplast Ein-Shemer | 72050-01 | Aseptic |
| Vortex Genie 2 | Scientific Industries, inc. | SI-0297 | |
| Microcentrifuge 5415 D | Eppendorf | 22621408 | |
| TC MicroWell 96 F SI w/lid | Nunc | 167008 | Flat bottom wells (with lid (individually wrapped)), sterile, pyrogen free |
| Synergy HT Multi-Detection Microplate Reader | Biotek | 7091000 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DNA | |||
| DNA away | Sigma Aldrich | 7010 | |
| Standard DNA of the microbial species of interest | ATCC or other culture collection | Either the appropriate microbial strain for DNA extraction or the extracted DNA | |
| Neubauer-improved | Marienfeld | 640030 | hemocytometer |
| TE buffer, Low EDTA | Life Technologies | 12090-015 | 10 mM Tris-HCl (pH 8.0) 0.1 mM EDTA |
| Nuclease-free PCR-grade water | Sigma Aldrich | 3315959001 | |
| PCR primers | Sigma Aldrich | Targets the microbial species of interest | |
| Dual-Labeled Probes | Sigma Aldrich | Targets the microbial species of interest | |
| Screw cap tubes | Axigen | ST-200-SS | 2 mL |
| PowerSoil DNA extraction kit | Mo Bio Laboratories | 12888-100 | |
| Glass beads, acid-washed 425-600 Microns | Sigma Aldrich | G8772-100G | |
| Glass beads, acid-washed <106 microns | Sigma Aldrich | G4649-100G | |
| PowerSoil Solution C1 | Mo Bio Laboratories | 12888-100-1 | Cell lysis buffer , Power soil Kit |
| Magic Touch ice bucket | Bel-Art | 18848-4001 | |
| Mini-Beadbeater-16 | BioSpec | 607EUR | |
| StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied Biosystems | 4376600 | |
| Fast SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems | 4385612 | |
| TaqMan Gene Expression Master Mix | Applied Biosystems | 4370048 | |
| MicroAmp Fast Optical 96-Well Reaction Plate with Barcode, 0.1 mL | Applied Biosystems | 4346906 | |
| MicroAmp Splash-Free 96-Well Base | Applied Biosystems | 4312063 | |
| MicroAmp Optical Adhesive Film | Applied Biosystems | 4311971 | |
| Centrifuge 5810 R | Eppendorf | 5811 000.010 | Rotor A-4-62 with MTP buckets |
References
- Lodge, J. P. J. . Methods of Air Sampling and Analysis. , (1988).
- Costa, V., et al. Characteristics of carbonaceous aerosols in Emilia-Romagna (Northern Italy) based on two fall/winter field campaigns. Atmos. Res. , (2015).
- Brent, L. C. . Development, enhancement, and evaluation of aircraft measurement techniques for national ambient air quality standard criteria pollutants [dissertation]. , (2014).
- Okuda, T., Schauer, J. J., Shafer, M. M. Improved methods for elemental analysis of atmospheric aerosols for evaluating human health impacts of aerosols in East Asia. Atmos. Environ. 97, 552-555 (2014).
- Hospodsky, D., et al. Characterizing airborne fungal and bacterial concentrations and emission rates in six occupied children’s classrooms. Indoor air. , (2014).
- Bottos, E., Woo, A., Zawar-Reza, P., Pointing, S., Cary, S. Airborne Bacterial Populations Above Desert Soils of the McMurdo Dry Valleys, Antarctica. Microb. Ecol. 67, 120-128 (2014).
- Ovadnevaite, J., et al. Submicron NE Atlantic marine aerosol chemical composition and abundance: Seasonal trends and air mass categorization. J. Geophys. Res. Atmos. 119, (2014).
- Lodge, J. ES&T Books: Methods of Air Sampling and Analysis, 3rd ed. Environ. Sci. Technol. 23, 938 (1989).
- Pramod, K., Baron, P. A., Willeke, K. . Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. , (2011).
- Vincent, J. H. . Aerosol Sampling: Science, Standards, Instrumentation and Applications. , (2007).
- Duquenne, P., Marchand, G., Duchaine, C. Measurement of Endotoxins in Bioaerosols at Workplace: A Critical Review of Literature and a Standardization Issue. Ann. Occup. Hyg. 57, 137-172 (2013).
- Okuda, T., Schauer, J. J., Shafer, M. M. Improved methods for elemental analysis of atmospheric aerosols for evaluating human health impacts of aerosols in East Asia. Atmos. Environ. 97, 552-555 (2014).
- Lewtas, J. Air pollution combustion emissions: Characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects. Mutat. Res.-Rev. Mutat. 636, 95-133 (2007).
- Lang-Yona, N., Lehahn, Y., Herut, B., Burshtein, N., Rudich, Y. Marine aerosol as a possible source for endotoxins in coastal areas. Sci. Total. Environ. 499, 311-318 (2014).
- Levin, J., Bang, F. B. Clottable protein in Limulus: its localization and kinetics of its coagulation by endotoxin. Thromb. Diath. Haemorrh. 19, 186-197 (1968).
- Heid, C. A., Stevens, J., Livak, K. J., Williams, P. M. Real time quantitative PCR. Genome Res. 6, 986-994 (1996).
- O’Dowd, C. D., de Leeuw, G. Marine aerosol production: a review of the current knowledge. Phil. Trans. R. Soc. A. 365, 1753-1774 (2007).
- O’Dowd, C. D., et al. Biogenically driven organic contribution to marine aerosol. Nature. 431, 676-680 (2004).
- Yang, R., Paparini, A., Monis, P., Ryan, U. Comparison of next-generation droplet digital PCR (ddPCR) with quantitative PCR (qPCR) for enumeration of Cryptosporidium oocysts in faecal samples. Int. J. Parasitol. 44, 1105-1113 (2014).
- Stetzenbach, L. D., Buttner, M. P., Cruz, P. Detection and enumeration of airborne biocontaminants. Curr. Opin. Biotechnol. 15, 170-174 (2004).
- Dannemiller, K. C., Gent, J. F., Leaderer, B. P., Peccia, J. Influence of housing characteristics on bacterial and fungal communities in homes of asthmatic children. Indoor air. , (2015).
- Yamamoto, N., Hospodsky, D., Dannemiller, K. C., Nazaroff, W. W., Peccia, J. Indoor emissions as a primary source of airborne allergenic fungal particles in classrooms. Environ. Sci. Technol. 49, 5098-5106 (2015).
- Yamamoto, N., et al. Particle-size distributions and seasonal diversity of allergenic and pathogenic fungi in outdoor air. ISME J. 6, 1801-1811 (2012).
- Karottki, D. G., et al. Cardiovascular and lung function in relation to outdoor and indoor exposure to fine and ultrafine particulate matter in middle-aged subjects. Environ Int. 73, 372-381 (2014).
- Guy, D., Hodges, N., Hanlon, G. Endotoxins and Depyrogenation. Industrial Pharmaceutical Microbiology: Standards and Controls. , 12.1-12.15 (2003).
- Thorne, P. S., Bartlett, K. H., Phipps, J., Kulhankova, K. Evaluation of Five Extraction Protocols for Quantification of Endotoxin in Metalworking Fluid Aerosol. Ann. Occup. Hyg. 47, 31-36 (2003).
- Thornton, B., Basu, C. Real-time PCR (qPCR) primer design using free online software. Biochem. Mol. Biol. Educ. 39, 145-154 (2011).
- Madigan, M. T., Clark, D. P., Stahl, D., Martinko, J. M. . Brock Biology of Microorganisms. , (2011).
- Watson, J. G., Chow, J. C. . Aerosol Measurement: Principles and Techniques. , 591-613 (2011).
- Mueller-Anneling, L., Avol, E., Peters, J. M., Thorne, P. S. Ambient endotoxin concentrations in PM10 from Southern California. Environ. Health Perspect. 112, 583-588 (2004).
- Hospodsky, D., Yamamoto, N., Peccia, J. Accuracy, Precision, and Method Detection Limits of Quantitative PCR for Airborne Bacteria and Fungi. Appl. Environ. Microbiol. 76, 7004-7012 (2010).
- Kutyavin, I. V., et al. 3′-Minor groove binder-DNA probes increase sequence specificity at PCR extension temperatures. Nucleic Acids Res. 28, 655-661 (2000).
- Brankatschk, R., Bodenhausen, N., Zeyer, J., Bürgmann, H. Simple absolute quantification method correcting for quantitative PCR efficiency variations for microbial community samples. Appl. Environ. Microbiol. 78, 4481-4489 (2012).
- Strober, W. Appendix 3B, Trypan Blue Exclusion Test of Cell Viability. Current Protocols in Immunology. , (2001).
- Hollander, A., Heederik, D., Versloot, P., Douwes, J. Inhibition and enhancement in the analysis of airborne endotoxin levels in various occupational environments. Am Ind Hyg Assoc J. 54, 647-653 (1993).
- Kennedy, S. . PCR troubleshooting and optimization : the essential guide. , (2011).
- Joiner, T. J., Kraus, P. F., Kupiec, T. C. Comparison of Endotoxin Testing Methods for Pharmaceutical Products. Int J Pharm Compd. 6, 408-409 (2002).
- Ebentier, D. L., et al. Evaluation of the repeatability and reproducibility of a suite of qPCR-based microbial source tracking methods. Water Res. 47, 6839-6848 (2013).
