Summary

Birden çok besin kaynaklarının mikrobiyal metabolizma araştırmaya izotopik izleyici deneyler kombinasyonuna göre iş akışı

Published: January 22, 2018
doi:

Summary

Bu iletişim kuralı metabolizma birden çok besin kaynaklarının nicelik ve kapsamlı bir şekilde araştırmak için deneysel bir işlem açıklanır. İzotopik izleyici deneyleri ve analitik bir yordam, bir kombinasyonuna göre bu iş akışı, tüketilen besin kaderi ve molekülleri synthetized metabolik kökenli mikroorganizmalar tarafından belirlenecek sağlar.

Abstract

Mikrobiyoloji alanında çalışmalar çok çeşitli yöntemleri uygulanması konusunda güveniyor. Özellikle, uygun yöntem geliştirme önemli ölçüde benzersiz azot ve karbon kaynakları içeren kimyasal olarak tanımlanan medya içinde büyüyen mikroorganizmaların metabolizması kapsamlı bilgi sunmak için katkıda bulunur. Buna ek olarak, metabolizma ile yönetimi geniş varlıklarını doğal veya endüstriyel ortamlarda rağmen birden çok besin kaynaklarının hemen hemen keşfedilmemiş kalır. Bu durum hangi soruşturma engel esas olarak uygun yöntemleri nedeniyle olmaması.

Biz nicelik ve kapsamlı bir besin karışımı farklı molekül, Yani, karmaşık bir kaynak olarak sağlandığında metabolizma nasıl çalıştığını keşfetmek için deneysel bir strateji raporu. Burada, Maya metabolik ağ üzerinden birden çok azot kaynakları bölümleme değerlendirmek için uygulanması açıklanmaktadır. İş akışını seçilen 13C – ya da 15N etiketli yüzeylerde kullanarak kararlı izotop izleme deneyleri sırasında elde edilen bilgilerle birleştirir. İlk paralel ve tekrarlanabilir fermentations N içeren moleküllerin karışımı içeren aynı ortamda oluşur; Ancak, seçilen azot kaynağı her zaman taşır. Analitik işlemleri (HPLC, GC-MS) bir arada hedeflenen bileşikler etiketleme şekillerinin değerlendirmek için ve tüketimi ve diğer metabolitler yüzeylerde kurtarılması ölçmek için uygulanır. Tam veri kümesi tümleşik bir analizini tüketilen yüzeylerde hücrelerin içindeki kaderi genel bakış sağlar. Bu yaklaşım doğru bir iletişim kuralı örnekleri – kolaylaştırdı koleksiyon için online fermentations izleme için bir robot destekli sistem tarafından gerektirir- ve çok sayıda zaman alan analizleri başarı. Bu kısıtlamaları rağmen bu anlayış, ilk kez birden fazla azot kaynakları Maya metabolik ağ genelinde bölümleme izin. Biz diğer N-bileşikler doğru daha bol kaynaklardan gelen azot dağıtılması aydınlatılmamıştır ve uçucu moleküllerin ve proteinogenic amino asit metabolik kökenleri belirledi.

Introduction

Mikrobiyal metabolizma çalışır nasıl anlayış fermantasyon süreçlerini geliştirmek ve fermantatif bileşiklerin üretimi modüle için etkili stratejiler tasarımı için önemli bir konudur. Gelişmeler genomik ve fonksiyonel genomik bu son iki yıl içinde büyük ölçüde birçok mikroorganizmaların metabolik ağların topolojisi bilgi genişletilmesi için katkıda bulunmuştur. Bu bilgilere erişimi hücresel işlev1kapsamlı bir genel bakış için amaç yaklaşımlar gelişmesine yol açtı. Bu metodolojileri çoğunlukla bir modeli tabanlı yorumlanması ölçülebilir parametreler üzerinde kullanır. Bu deneysel veriler, bir yandan metaboliti alımı ve üretim fiyatlarına dahildir ve öte yandan, izotop izleyici elde edilen nicel hücre içi bilgi deneyler. Bu veriler tanımlanmış metabolik ağ2,3,4farklı yollar içinde vivo aktivitesi kesinti için gerekli bilgileri sağlar. Şu anda, mevcut analitik teknikler sadece bir tek öğeli izotop kullanırken desenleri moleküllerin etiketleme, doğru algılamasını etkinleştirmek ve muhtemelen iki izotopik öğelerle birlikte etiketleme zaman. Ayrıca, çoğu büyüme koşullar altında karbon kaynağı yalnızca bir veya iki-bileşikler oluşur. Sonuç olarak, 13C-izotopik izleyiciler karbon yüzeyler üzerinden göre yaklaşımlar yaygın ve başarılı bir şekilde karbon metabolik ağ işlemleri5,6,7 tam bir anlayış geliştirmek için uygulanan ,8.

Buna ek olarak, pek çok doğal ve endüstriyel ortamlarda, mikrobiyal büyüme destekler kullanılabilir azot kaynağı kez molekülleri çok çeşitli oluşur. Örneğin, şarap ya da bira fermantasyon sırasında azot 18 amino asitler ve amonyum değişken konsantrasyonları9karışımı sağlanır. Bu dizi anabolizma için erişilebilir N bileşiklerin ikinci azot, genellikle amonyum benzersiz bir kaynak kullanarak elde edilir bu karmaşık medya koşullar büyük ölçüde yaygın olarak fizyolojik çalışmaları için kullanılan farklı yapar.

Genel olarak, azot bileşikleri olabilir doğrudan proteinlerin dahil ya da catabolized içselleştirilmiş. Maya Saccharomyces cerevisiae‘ de dahil olmak üzere birçok mikroorganizmalar azot metabolizması ağ yapısını yüzeylerde çeşitlilik uygun olarak çok karmaşıktır. Şematik, glutamin, Glutamat ve α-ketoglutarate10,11, enzimleri ve deaminases şekilde tromboksan azot metabolizması merkezi çekirdek bu sistem dayanmaktadır. Bu ağ üzerinden amonyum veya diğer amino asitlerin Amin grupları bir araya geldik ve α-keto asit serbest. Bu ara da synthetized Merkezi karbon metabolizması (CCM)12,13arası vardır. Bu sayıda dallı reaksiyonlar ve ara ürün, eksojen azot kaynakları katabolizma ve proteinogenic amino asitler, anabolizma dahil hücreleri anabolik gereklerini yerine getirir. Aktivite bu farklı birbirine bağlı yolları da metabolitleri atılımı sonuçlanır. Özellikle, α-keto asit yüksek alkoller ve onların asetat ester türevleri14, önemli katkıda bulunan ürünlerin duyusal profiller üretmeye Ehrlich yolu aracılığıyla yönlendirilebilirsiniz. Daha sonra çalışma şeklini azot metabolizması biyokütle üretimi ve uçucu moleküllerin (aroma) oluşumu içinde önemli bir rol oynar.

Tepkiler, enzim ve gen azot üretimiyle literatürde yaygın olarak açıklanmıştır. Ancak, birden fazla azot kaynakları metabolik bir ağ genelinde dağılımı sorunu henüz giderilmiş değil. Bu bilgi eksikliği açıklamak iki ana nedeni vardır. İlk olarak, azot metabolizması ağ önemli karmaşıklığı içinde görüş-in, nicel veri büyük miktarda kullanılamaz faaliyete tam bir anlayış için gerekli şimdiye kadar. İkinci, birçok deneysel kısıtlamaları ve sınırlamaları analitik yöntemleri CCM işlevi aydınlatma için daha önce kullanılan yaklaşımların uygulanması engelledi.

Bu sorunların üstesinden gelmek için mutabakat veri izotopik izleyici deneyler bir dizi dayalı bir sistem düzeyinde yaklaşım geliştirmek seçtik. İş akışı içeren:
-Her seferinde farklı bir seçili besin kaynağı (substrat) etiketli iken fermentations kümesi aynı çevre koşullarında yürütülmüştür.
-Bir arada etiketli substrat ve konsantrasyonu kalan konsantrasyon ve izotopik zenginlik üzerinden elde edilen bileşiklerin fermantasyon farklı aşamalarında bir doğru belirlenmesi için analitik işlemleri (HPLC, GC-MS) katabolizma etiketli molekülünün türetilmiş biyokütle dahil olmak üzere.
-Bir hesaplama her kitle ve izotopik dengesinin etiketli molekül ve akı oranları belirlenmesi yoluyla mikroorganizmalar tarafından birden çok besin kaynaklarının yönetimi genel bir bakış elde etmek için veri kümesi bir daha fazla entegre analiz tüketilen .

Bu yöntemi uygulamak için dikkat zorlanma/mikroorganizma kültürler arası tekrarlanabilir davranışındaki ödenmelidir. Ayrıca, farklı kültürlerden gelen örnekleri aynı iyi tanımlanmış fermantasyon devam ederken alınması gerekir. Bu el yazması bildirdi deneysel çalışmalarında bir robot destekli sistem fermentations online izlemek için bu kısıtlamalar için hesap için kullanılır.

Ayrıca, çalışmanın bilimsel sorunla ilgili olarak uygun etiketli yüzeylerde (bileşik, doğa ve konumu maddelerinin etiketlenmesi) kümesi seçmek önemlidir. Burada, 15N etiketli amonyum, glutamin ve arginin üzüm suyu bulunan üç büyük azot kaynağı olarak seçilmiştir. Bu üzerinden tüketilen bileşikler azot yeniden dağıtım proteinogenic amino asitler için desen değerlendirmek izin verdi. Ayrıca tüketilen amino asitler ve uçucu moleküllerin üretimini yaptıkları katkı karbon omurgası kaderi araştırmak amaçladık. Bu amaç, liflerin düzenli bir biçimde 13lösin C harfiyle karşılamak için isoleucine, treonin ve Valin çalışmada Ehrlich yolu büyük ara ürün elde edilen amino asitler olarak dahil edilmiştir.

Genel olarak, biz kantitatif Maya fermantasyon Ayrıca karbon öncüleri fazlalığı çıkarmadan süre boyunca anabolik gereksinimleri yerine getirmek için eksojen azot kaynakları yeniden dağıtma tarafından bir karmaşık azot kaynağı nasıl yönettiğini araştırdı uçucu moleküllerin. Bu gazetede bildirdi deneysel işlemin diğer mikroorganizma tarafından kullanılan diğer birden çok besin kaynaklarını araştırmak için uygulanabilir. Bu mikroorganizmaların metabolik davranışını genetik arka plan veya çevre koşullarının etkisi analizi için uygun bir yaklaşım gibi görünüyor.

Protocol

1. fermantasyon ve örnekleme Medya ve fermenters hazırlanmasıNot: Tüm fermentations taşınan dışarı aynı soy kullanarak paralel ve aynı kimyasal sentetik orta (SM, Tablo 1′ de sağlanan kompozisyon), tanımlanan15azot kaynakları olarak amonyum ve amino asitler içerir. Diğerleri etiketsiz kalır her fermantasyon için sadece bir düzgün etiketli 13C veya 15N form (% 100), bir tek azot bileşik sağlanır. Deney gru…

Representative Results

Şekil 3 şematik diyagramı yönetimi araştırmak için maya şarap fermantasyon sırasında bulunan birden fazla azot kaynakları tarafından uygulanan iş akışı sunar.Örnekleme, biyolojik parametreler-büyüme özellikleri, azot tüketim kalıpları ve gösterinin proteinogenic amino asitler – fermentations (şekil 4) arasında yüksek bir tekrarlanabilirlik profil farklı noktaları için. Bu tutarlılık 14 bağı…

Discussion

Bileşikler metabolik ağlarına izotopik izleyici deneyler kullanarak bölümleme miktarının mikrobiyal metabolizma işleyişini anlamak için umut verici bir yaklaşımdır. Bu yöntemi başarıyla uygulanan bir ya da iki etiketli yüzeyler ile iken şu anda birden çok etiketli elemental izotoplar (Yani, birden fazla iki yüzeylerde) kullanarak çeşitli kaynaklardan metabolizma çalışmaya uygulanması olamaz. Nitekim, mevcut analitik teknikler etiketleme desenleri proteinogenic amino asitler ve moleküll…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Jean-Roch Mouret, Sylvie Dequin ve Jean-Marie fermantasyon robot destekli sistem anlayışı katkıda bulunmak için Sabalyrolles ve Martine Pradal, Nicolas Bouvier ve Pascale Brial teknik desteklerinden dolayı teşekkür ederiz. Bu proje Recherche et Ministère de l’Education Nationale, de la tarafından sağlanan için finansman de la Technologie.

Materials

D-Glucose PanReac 141341.0416
D-Fructose PanReac 142728.0416
DL-Malic acid Sigma Aldrich M0875
Citric acid monohydrate Sigma Aldrich C7129
Potassium phosphate monobasic Sigma Aldrich P5379
Potassium sulfate Sigma Aldrich P0772
Magnesium sulfate heptahydrate Sigma Aldrich 230391
Calcium chloride dihydrate Sigma Aldrich C7902
Sodium chloride Sigma Aldrich S9625
Ammonium chloride Sigma Aldrich A4514
Sodium hydroxide Sigma Aldrich 71690
Manganese sulfate monohydrate Sigma Aldrich M7634
Zinc sulfate heptahydrate Sigma Aldrich Z4750
Copper (II) sulfate pentahydrate Sigma Aldrich C7631
Potassium iodine Sigma Aldrich P4286
Cobalt (II) chloride hexahydrate Sigma Aldrich C3169
Boric acid Sigma Aldrich B7660
Ammonium heptamolybdate Sigma Aldrich A7302
Myo-inositol Sigma Aldrich I5125
D-Pantothenic acid hemicalcium salt Sigma Aldrich 21210
Thiamine, hydrochloride Sigma Aldrich T4625
Nicotinic acid Sigma Aldrich N4126
Pyridoxine Sigma Aldrich P5669
Biotine Sigma Aldrich B4501
Ergostérol Sigma Aldrich E6510
Tween 80 Sigma Aldrich P1754
Ethanol absolute VWR Chemicals 101074F
Iron (III) chloride hexahydrate Sigma Aldrich 236489
L-Aspartic acid Sigma Aldrich A9256
L-Glutamic acid Sigma Aldrich G1251
L-Alanine Sigma Aldrich A7627
L-Arginine Sigma Aldrich A5006
L-Cysteine Sigma Aldrich C7352
L-Glutamine Sigma Aldrich G3126
Glycine Sigma Aldrich G7126
L-Histidine Sigma Aldrich H8000
L-Isoleucine Sigma Aldrich I2752
L-Leucine Sigma Aldrich L8000
L-Lysine Sigma Aldrich L5501
L-Methionine Sigma Aldrich M9625
L-Phenylalanine Sigma Aldrich P2126
L-Proline Sigma Aldrich P0380
L-Serine Sigma Aldrich S4500
L-Threonine Sigma Aldrich T8625
L-Tryptophane Sigma Aldrich T0254
L-Tyrosine Sigma Aldrich T3754
L-Valine Sigma Aldrich V0500
13C5-L-Valine Eurisotop CLM-2249-H-0.25
13C6-L-Leucine Eurisotop CLM-2262-H-0.25
15N-Ammonium chloride Eurisotop NLM-467-1
ALPHA-15N-L-Glutamine Eurisotop NLM-1016-1
U-15N4-L-Arginine Eurisotop NLM-396-PK
Ethyl acetate Sigma Aldrich 270989
Ethyl propanoate Sigma Aldrich 112305
Ethyl 2-methylpropanoate Sigma Aldrich 246085
Ethyl butanoate Sigma Aldrich E15701
Ethyl 2-methylbutanoate Sigma Aldrich 306886
Ethyl 3-methylbutanoate Sigma Aldrich 8.08541.0250
Ethyl hexanoate Sigma Aldrich 148962
Ethyl octanoate Sigma Aldrich W244910
Ethyl decanoate Sigma Aldrich W243205
Ethyl dodecanoate Sigma Aldrich W244112
Ethyl lactate Sigma Aldrich W244015
Diethyl succinate Sigma Aldrich W237701
2-methylpropyl acetate Sigma Aldrich W217514
2-methylbutyl acetate Sigma Aldrich W364401
3-methyl butyl acetate Sigma Aldrich 287725
2-phenylethyl acetate Sigma Aldrich 290580
2-methylpropanol Sigma Aldrich 294829
2-methylbutanol Sigma Aldrich 133051
3-methylbutanol Sigma Aldrich 309435
Hexanol Sigma Aldrich 128570
2-phenylethanol Sigma Aldrich 77861
Propanoic acid Sigma Aldrich 94425
Butanoic acid Sigma Aldrich 19215
2-methylpropanoic acid Sigma Aldrich 58360
2-methylbutanoic acid Sigma Aldrich 193070
3-methylbutanoic acid Sigma Aldrich W310212
Hexanoic acid Sigma Aldrich 153745
Octanoic acid Sigma Aldrich W279900
Decanoic acid Sigma Aldrich W236403
Dodecanoic acid Sigma Aldrich L556
Fermentor 1L Legallais AT1357 Fermenter handmade for fermentation
Disposable vacuum filtration system Dominique Deutscher 029311
Fermenters (250 ml) Legallais AT1352 Fermenter handmade for fermentation
Sterile tubes Sarstedt 62.554.502
Fermentation locks Legallais AT1356 Fermetation locks handmade for fermentation
BactoYeast Extract Becton, Dickinson and Company 212750
BactoPeptone Becton, Dickinson and Company 211677
Incubator shaker Infors HT
Particle Counter Beckman Coulter 6605697 Multisizer 3 Coulter Counter
Centrifuge Jouan GR412
Plate Butler Robotic system Lab Services BV PF0X-MA Automatic instrument
Plate Butler Software Lab Services BV Robot monitor software
RobView In-house developed calculation software
My SQL International source database
Cimarec i Telesystem Multipoint Stirrers Thermo Fisher Scientific 50088009 String Drive 60
BenchBlotter platform rocker Dutscher 60903
Ammonia enzymatic kit R-Biopharm AG 5390
Spectrophotometer cuvettes VWR 634-0678
Spectrophotometer UviLine 9400 Secomam
Amino acids standards physiological – acidics and neutrals Sigma Aldrich A6407
Amino acids standards physiological – basics Sigma Aldrich A6282
Citrate lithium buffers – Ultra ninhydrin reagent Biochrom BC80-6000-06
Sulfosalycilic acid Sigma Aldrich S2130
Norleucine Sigma Aldrich N1398
Biochrom 30 AAA Biochrom
EZChrom Elite Biochrom Instrument control and Data analysis software
Ultropac 8 resin Lithium Biochrom BC80-6002-47 Lithium High Resolution Physiological Column
Filter Millex GV Merck Millipore SLGVX13NL Millex GV 13mm (pore size 0.22 µm)
Membrane filter PALL VWR 514-4157 Supor-450 47mm 0.45µm
Vacuum pump Millivac Mini Millipore XF5423050
Aluminium smooth weigh dish 70mm VWR 611-1380
Precision balance Mettler Specifications AE163
Dimethyl sulfoxid dried Merck 1029310161 (max. 0.025% H2O) SeccoSolv
Combustion oven Legallais
Pierce BCA protein assay kit Interchim UP40840A
Formic acid Fluka 94318
Hydrogen peroxide Sigma Aldrich H1009
Hydrochloric Acid Fuming 37% Emsure Merck 1003171000 Grade ACS,ISO,Reag. Ph Eur
Lithium acetate buffer Biochrom 80-2038-10
Commercial solution of hydrolyzed amino acids Sigma Aldrich AAS18
L-Methionine sulfone Sigma Aldrich M0876
L-Cysteic acid monohydrate Sigma Aldrich 30170
Pyrex glass culture tubes Sigma Aldrich Z653586
Pyridine Acros Organics 131780500 99% Extrapure
Ethyl chloroformate Sigma Aldrich 23131
Dichloromethane Sigma Aldrich 32222
Vials Sigma Aldrich 854165
Microinserts for 1.5ml vials Sigma Aldrich SU860066
GC/MS Agilent Technologies 5890 GC/5973 MS
Chemstation Agilent Technologies Instrument control and data analysis software
Methanol Sigma Aldrich 34860 Chromasolv, for HPLC
Acetonitrile Sigma Aldrich 34998 ChromasolvPlus, for HPLC
N,N-Dimethylformamide dimethyl acetal Sigma Aldrich 394963
BSTFA Sigma Aldrich 33024
DB-17MS column Agilent Technologies 122-4731 30m*0.25mm*0.15µm
Sodium sulfate, anhydrous Sigma Aldrich 238597
Technical nitrogen Air products 14629
Zebron ZB-WAX column Phenomenex 7HG-G007-11 30m*0.25mm*0.25µm
Helium BIP Air products 26699
Glass Pasteur pipettes VWR 612-1702

References

  1. Osterlund, T., Nookaew, I., Nielsen, J. Fifteen years of large scale metabolic modeling of yeast: developments and impacts. Biotechnol Adv. 30, 979-988 (2012).
  2. Gombert, A. K., Moreirados Santos, M., Christensen, B., Nielsen, J. Network identification and flux quantification in the central metabolism of Saccharomyces cerevisiae under different conditions of glucose repression. J Bacteriol. 183, 1441-1451 (2001).
  3. Wiechert, W. 13C metabolic flux analysis. Metab Eng. 3, 195-206 (2001).
  4. Fischer, E., Zamboni, N., Sauer, U. High-throughput metabolic flux analysis based on gas chromatography-mass spectrometry derived 13C constraints. Anal Biochem. 325, 308-316 (2004).
  5. Rantanen, A., Rousu, J., Jouhten, P., Zamboni, N., Maaheimo, H., Ukkonen, E. An analytic and systematic framework for estimating metabolic flux ratios from 13C tracer experiments. BMC Bioinformatics. 9, 266 (2008).
  6. Zamboni, N. 13C metabolic flux analysis in complex systems. Curr Opin Biotechnol. 22, 103-108 (2011).
  7. Kruger, N. J., Ratcliffe, R. G. Insights into plant metabolic networks from steady-state metabolic flux analysis. Biochimie. 91, 697-702 (2009).
  8. Quek, L. -. E., Dietmair, S., Krömer, J. O., Nielsen, L. K. Metabolic flux analysis in mammalian cell culture. Metab Eng. 12, 161-171 (2010).
  9. Perpete, P., Santos, G., Bodart, E., Collin, S. Uptake of amino acids during beer production: The concept of a critical time value. J Am Soc Brew Chem. 63, 23-27 (2005).
  10. Magasanik, B., Kaiser, C. A. Nitrogen regulation in Saccharomyces cerevisiae. Gene. 290, 1-18 (2002).
  11. Ljungdahl, P. O., Daignan-Fornier, B. Regulation of amino acid, nucleotide, and phosphate metabolism in Saccharomyces cerevisiae. Genetics. 190, 885-929 (2012).
  12. Cooper, T. G., Strathern, J. N., Jones, E. W., Broach, J. R. Nitrogen metabolism in Saccharomyces cerevisiae. The molecular biology of the yeast Saccharomyces: Metabolism and gene expression. , 39-99 (1982).
  13. Jones, E. W., Fink, G. R., Strathern, J. N., Jones, E. W., Broach, J. R. Regulation of amino acid and nucleotide biosynthesis in yeast. The molecular biology of the yeast Saccharomyces: Metabolism and gene expression. , 182-299 (1982).
  14. Hazelwood, L. A., Daran, J. -. M., van Maris, A. J. A., Pronk, J. T., Dickinson, J. R. The Ehrlich pathway for fusel alcohol production: a century of research on Saccharomyces cerevisiae metabolism. Appl Environ Microbiol. 74, 2259-2266 (2008).
  15. Bely, M., Sablayrolles, J. M., Barre, P. Automatic detection of assimilable nitrogen deficiencies during alcoholic fermentation in oenological conditions. J Ferment Bioeng. 70, 246-252 (1990).
  16. Forster, J., Famili, I., Fu, P., Palsson, B. O., Nielsen, J. Genome-scale reconstruction of the Saccharomyces cerevisiae metabolic network. Genome Res. 13, 244-253 (2003).
  17. Millard, P., Letisse, F., Sokol, S., Portais, J. C. IsoCor: correcting MS data in isotope labeling experiments. Bioinformatics. 28, 1294-1296 (2012).

Play Video

Cite This Article
Bloem, A., Rollero, S., Seguinot, P., Crépin, L., Perez, M., Picou, C., Camarasa, C. Workflow Based on the Combination of Isotopic Tracer Experiments to Investigate Microbial Metabolism of Multiple Nutrient Sources. J. Vis. Exp. (131), e56393, doi:10.3791/56393 (2018).

View Video