Nous décrivons l’utilisation de la chromatographie sur couche mince, du test de bioautographie directe et de la chromatographie liquide-spectrométrie de masse pour identifier les produits naturels microbiens qui présentent un antagonisme contre les agents pathogènes fongiques, en utilisant l’agent pathogène Sclerotinia sclerotiorum et les isolats biopesticides de Bacillus comme système modèle.
La chromatographie sur couche mince couplée à la bioautographie directe (TLC-DB) est un essai biologique bien établi utilisé pour séparer et identifier les produits naturels (NP) qui sont antagonistes contre un agent pathogène cible. Il s’agit d’une option rapide, peu coûteuse et simple pour l’isolement et l’identification des NP guidés par essai biologique qui repose sur la séparation par CCM associée à l’application directe d’un agent pathogène cible pour examiner la bioactivité. Il est généralement utilisé pour l’analyse d’extraits de plantes bioactives, détectant l’activité inhibitrice contre les bactéries, les champignons et les enzymes. Cela étant dit, il a un grand potentiel pour la découverte de NP bactériennes, en particulier pour évaluer les NP bactériennes contre les agents pathogènes agricoles pertinents, ce qui est précieux pour la découverte et le développement de nouveaux biopesticides pour l’industrie agricole. De plus, il s’agit d’un protocole accordable qui pourrait être appliqué à d’autres pathogènes cibles ou sources de NP dans les programmes de recherche concernant la découverte et l’identification de composés bioactifs. Dans cet article, nous décrivons un système modèle permettant de découvrir et d’identifier les nanoparticules de biopesticides à l’aide de TLC-DB avec Bacillus spp. et l’agent pathogène agricole Sclerotinia sclerotiorum.
Les agents pathogènes fongiques de l’agriculture causent des pertes importantes de qualité et de rendement des cultures dans le monde entier, contribuant aux défis économiques et d’approvisionnement d’un système de production alimentaire mondial stable 1,2. Les dommages causés par les agents pathogènes peuvent être évités en sélectionnant des cultivars résistants aux infections et en utilisant des systèmes de gestion intégrée des cultures, y compris la rotation des cultures et les pratiques de gestion des terres pour supprimer la prolifération des agents pathogènes 3,4. Bien que ces méthodes réduisent les dommages aux cultures, les pesticides chimiques sont généralement utilisés en tandem pour tuer activement les structures reproductrices fongiques dans le champ et prévenir davantage les dommages et les réductions de rendement. Bien qu’efficace, l’utilisation de pesticides chimiques présente de nombreux inconvénients, notamment des dommages aux écosystèmes environnants, une baisse de la fertilité des sols, des risques associés pour la santé humaine et le développement d’une résistance aux agents pathogènes, ce dernier entraînant des doses plus élevées de pesticides chaque année 5,6,7.
Les produits de lutte antiparasitaire et pathogène à base microbienne ont longtemps été considérés comme des alternatives potentielles ou des compléments aux pesticides synthétiques. Depuis le début des années 1900, Bacillus thuringiensis a été largement utilisé pour lutter contre les ravageurs et les agents pathogènes agricoles comme traitement des semences, comme pulvérisation foliaire et dans le traitement direct des sols8. Ces produits ont été nommés biopesticides et sont caractérisés comme des micro-organismes ou des produits biochimiques naturels qui peuvent tuer, supprimer ou réduire la vigueur d’un ravageur ou d’un agent pathogène cible. Les biopesticides peuvent contrôler la croissance d’un agent pathogène par divers mécanismes, mais le plus souvent par la sécrétion de métabolites secondaires9. Les métabolites secondaires, souvent appelés produits naturels, ne sont pas impliqués dans le métabolisme primaire, mais sont produits comme un avantage évolutif pour surpasser les autres micro-organismes10.
Les biopesticides offrent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues synthétiques. Ils présentent un faible risque de toxicité pour l’environnement, la faune et les humains par rapport aux produits de lutte antiparasitaire synthétiques 9,10. Étant donné que la plupart des biopesticides existent naturellement dans l’environnement depuis des millénaires, les voies de biodégradation des métabolites microbiens existent dans l’environnement, limitant la possibilité de contamination du sol ou de l’écosystème et réduisant les temps de séjour qui contribuent à la destruction de l’environnement des pesticides synthétiques11. De plus, de nombreux biopesticides utilisés pour atténuer l’infection par des agents pathogènes présentent également des propriétés favorisant la croissance des plantes, ce qui peut augmenter la biodisponibilité des nutriments et induire une résistance systémique des plantes12.
Le plus souvent, les biopesticides sont appliqués sous forme d’inoculum microbien, et les NP sont sécrétés par des micro-organismes vivants in situ12,13. Dans un tel cas, l’identification de la source de l’activité d’un biopesticide est d’une grande valeur. Cela donne un aperçu du mécanisme d’action du biopesticide, aide à monter un dossier pour la protection d’un micro-organisme avec un brevet et peut avoir un impact scientifique significatif si leurs structures sont nouvelles. Plus important encore, cependant, l’identification de la source bioactive éclaire les possibilités de formulation d’un biopesticide en aval. Si le NP lui-même est actif, on peut utiliser le micro-organisme comme une usine de biomolécules pour la production de biopesticides à grande échelle. De plus, de nombreuses nanoparticules qui ont été explorées pour la lutte biologique ont également des applications potentielles en médecine humaine, ce qui les rend encore plus précieuses sur le plan économique8.
Les tests de chromatographie sur couche mince couplée à la bioautographie directe (TLC-DB) sont une méthode simple et peu coûteuse pour l’isolement et l’identification des métabolites biopesticides guidés par la bioactivité. Bien que la technique soit couramment utilisée pour séparer les tests de bioactivité des composés phytochimiques des extraits de plantes brutes, elle présente également un grand potentiel pour l’analyse des extraits microbiens14. La TLC permet une séparation rapide et peu coûteuse des NP dans un extrait microbien brut, et après enrobage d’une suspension d’agent pathogène dans un milieu, les zones contenant des métabolites actifs sont facilement visualisées. Ces zones peuvent être grattées de la plaque et extraites pour une analyse chimique par chromatographie liquide à ultra-haute performance couplée à la spectrométrie de masse (UPLC-MS) afin d’identifier les métabolites connus. Les métabolites qui ne correspondent pas aux composés précédemment signalés peuvent être isolés en plus grandes quantités par chromatographie liquide pour subir des études d’élucidation de structure à l’aide de techniques telles que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire et la cristallographie aux rayons X15.
Cet article décrit un système modèle pour la découverte et l’identification des nanoparticules de biopesticides à l’aide de la TLC-DB avec Bacillus spp. et l’agent pathogène agricole Sclerotinia sclerotiorum. La figure 1 fournit une vue d’ensemble schématique de la procédure TLC-DB.
Figure 1 : Vue d’ensemble schématique des étapes 4 à 7 de la procédure de TLC-DB. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
TLC-DB est un outil de recherche précieux et bien établi sur la NP et une alternative simple et peu coûteuse aux méthodes d’isolement guidées par biodosage sur microplaques17. Il nécessite un minimum de temps et de ressources matérielles par rapport aux tests sur microplaques, qui nécessitent une séparation des métabolites à l’aide de techniques de chromatographie liquide. Il s’agit d’un test très polyvalent qui peut être utilisé pour détecter les NP antibactériens, antifongiques, antiparasitaires et antioxydants en plus des inhibiteurs d’enzymes 18,19,20,21,22,23. Bien qu’elle soit le plus souvent utilisée pour détecter et identifier les composés phytochimiques bioactifs, la même méthode peut être appliquée aux nanoparticules bactériennes, comme l’explore le présent protocole18. De plus, le protocole peut être optimisé pour être utilisé avec une variété de sources de NP et d’agents pathogènes cibles afin de faciliter la découverte et l’évaluation de nouvelles NP bioactives.
Le milieu utilisé pour la croissance bactérienne et le solvant utilisé pour l’extraction peuvent avoir un impact considérable sur les résultats de la découverte de produits naturels. Les milieux utilisés dans ce protocole sont optimisés pour les bactéries qui produisent des lipopeptides cycliques, y compris Pseudomonas et Bacillus spp. Mais d’autres milieux et sources de nutriments doivent être pris en compte si l’on explore d’autres genres. On peut choisir de compléter la CCM-DB en utilisant le même micro-organisme cultivé dans une gamme de milieux pour évaluer toute l’étendue de la diversité des métabolites d’un isolat ou d’utiliser des conditions de croissance identiques pour une plus grande gamme d’isolats. Le choix du solvant d’extraction impacte également les produits naturels détectés. Il est généralement admis que la plupart des NP bioactifs ont une polarité faible à modérée, ce qui fait de l’acétate d’éthyle un choix approprié en raison de son faible point d’ébullition, ce qui le rend facile à éliminer. Cependant, si l’on souhaite également examiner les fractions polaires et non polaires, de multiples extractions avec d’autres solvants peuvent être effectuées. Alternativement, l’extrait acellulaire peut être lyophilisé et utilisé dans le test pour voir tous les métabolites libérés dans le milieu. Cependant, il sera souvent nécessaire de charger plus de matériau sur la plaque CCM pour tenir compte des composants du milieu séché dans le matériau lyophilisé. De même, si cette méthode est utilisée avec un agent pathogène différent, tel que l’inoculum, le milieu utilisé et les conditions d’incubation doivent être optimisés pour obtenir les 5 plaques de gélose de mycélium utilisées pour le dosage TLC-DB.
La TLC-DB est avantageuse par rapport à la bioautographie de contact et d’immersion, car elle utilise la couche la plus mince de gélose et d’inoculum, minimisant ainsi la dépendance à la diffusion des métabolites dans la couche de gélose, ce qui peut permettre à de plus petites quantités de produits naturels d’induire l’inhibition des agents pathogènes17. Des résultats précédemment publiés à l’aide de méthodes bioautographiques de la CCM ont utilisé une suspension de spores de l’agent pathogène pour compléter le test17. Bien que cela permette un contrôle précis de la concentration en suspension, il peut être extrêmement difficile et long d’induire la sporulation de certains champignons24. Cette modification simplifie grandement l’essai et permet de le compléter à l’aide d’agents pathogènes fongiques qui sont difficiles à sporuler et qui auraient pu être évités auparavant par cette méthode.
La masse d’extrait bactérien utilisée dans le test peut avoir un impact sur les résultats. Si trop peu d’extrait est appliqué sur la plaque CCM, il est possible que la concentration inhibitrice minimale d’un composé actif ne soit pas dépassée et que la bioactivité ne soit pas détectée. Par conséquent, dans certains cas, et comme le montrent les figures 1 et 2, il vaut la peine de surcharger la plaque CCM, compromettant la séparation pour la capacité de détecter facilement l’activité. De même, la charge d’agents pathogènes pulvérisée sur la plaque ne doit pas être trop faible, car il n’y aura pas assez de milieu appliqué pour favoriser la croissance des agents pathogènes. Cette méthode peut être facilement ajustée pour s’adapter à une variété d’extraits bactériens et d’agents pathogènes, et les quantités d’extrait microbien et d’inoculum décrites dans le protocole ont permis de détecter la bioactivité de plusieurs agents pathogènes et extraits microbiens. Si aucune zone d’inhibition n’est observée à la fin de l’essai, cela peut indiquer l’un des éléments suivants. Premièrement, les métabolites actifs peuvent ne pas être présents dans l’extrait appliqué en raison de milieux incompatibles utilisés pour la croissance bactérienne ou en raison de l’activité des bactéries qui n’est pas le résultat de la production de NP. Un test de diffusion discale avec l’extrait peut être effectué pour confirmer ou infirmer l’existence de NP actives dans l’extrait. Si l’essai de diffusion sur disque ne montre aucune suppression d’agents pathogènes, d’autres milieux peuvent être testés pour déterminer si d’autres conditions produisent des NP bioactifs. Si le test de diffusion sur disque indique que l’extrait supprime l’agent pathogène, il peut être nécessaire d’appliquer une plus grande masse d’extrait bactérien sur la plaque CCM, auquel cas un autre test peut être tenté.
La comparaison des métabolites du ZOI à l’extrait brut est essentielle pour identifier les NP actifs. Dans le dosage, les métabolites de l’extrait brut peuvent être métabolisés ou modifiés par l’agent pathogène, ce qui peut être observé par LC-MS. Ainsi, seuls les métabolites présents à la fois dans l’extrait brut et dans le ZOI peuvent être considérés comme des NP produits par la bactérie à l’étude. S’il n’est pas possible d’établir une corrélation entre les métabolites extraits du ZOI et les métabolites de l’extrait brut, une plaque de CCM peut être préparée, comme décrit à l’étape 5. Sans terminer l’essai de bioautographie, extraire les métabolites de la plaque CCM au même temps de rétention que celui observé dans l’essai terminé. Cela devrait permettre une corrélation plus facile entre les métabolites des ZOI et l’extrait brut, provoquant la suppression des agents pathogènes.
L’un des inconvénients de la TLC-DB est que la résolution de la TLC est considérablement inférieure à celle obtenue lors de l’utilisation des techniques traditionnelles de criblage de micropuits, qui nécessitent une chromatographie liquide pour la séparation. Ainsi, il est courant que plusieurs métabolites existent dans la zone d’inhibition où certains métabolites peuvent ne pas contribuer à la bioactivité. Ce problème peut être causé par la pratique consistant à surcharger la plaque CCM pour observer plus clairement la bioactivité. Des travaux récents ont été publiés à l’aide de la technologie TLC haute performance (HP-TLC), qui améliore considérablement la résolution et peut permettre l’automatisation du développement TLC, ce qui est autrement impossible avec l’utilisation de la TLC conventionnelle 14,21,22,23. De plus, des plaques peuvent être développées dans une deuxième dimension (2D-TLC) pour séparer davantage les métabolites ayant des temps de rétention similaires. Cela étant dit, il convient d’évaluer si l’augmentation du temps et du coût des matériaux est un compromis valable pour une résolution accrue obtenue avec HP- et 2D-TLC25.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Agriculture et Agroalimentaire Canada pour le financement grâce auquel cette recherche a été rendue possible (projets J-001843 et J-002021). Nous remercions Brett van Heyningen d’avoir filmé le contenu vidéo de ce protocole. Nous tenons également à remercier les anciens étudiants des cycles supérieurs (Jennifer Vacon et Mark Nabuurs) pour leurs idées sur les méthodes décrites dans ce manuscrit.
0.5-5 mL single channel Pipette | VWR | CA11020-004 | |
10 mL Thin Layer Chromatography Sprayer | VWR | KT422530-0010 | |
100 x 15 mm Petri plates | VWR | 89038-970 | |
100-1000 µL pipette tips | VWR | 76322-164 | |
100-1000 µL single channel pipette | VWR | 76169-240 | |
15 mL sterile centrifuge tubes | VWR | CA21008-918 | |
1 L glass bottle | Millipore Sigma | CLS13951L | Must be autoclave safe |
1 mL sterile syringe with needle | Thomas Scientific | 8935L75 | Detachable needle is recommended |
2 mL Microcentrifuge tube | VWR | 87003-298 | |
50 mL sterile centrifuge tubes | VWR | CA21008-940 | |
5 mL pipette tips | VWR | CA11020-008 | |
7 mL scintilation vials | VWR | 76538-962 | |
95% ethanol | Thermo Fisher Scientific | A412-500 | |
Autoclave | Cole-Parmer | UZ-01850-34 | 8 L, 115 VAC |
Bacteriological agar | VWR | 97064-336 | |
bin | Thomas Scientific | 1216H91 | |
D-Glucose | VWR | BDH9230-500G | |
Dichloromethane ≥99.8% ACS | VWR | BDH1113-4LG | |
Ethyl Acetate ≥99.8% ACS | VWR | BDH1123-4LG | |
Filter paper | VWR | CA28297-846 | |
Grinding Beads | VWR | 12621-148 | |
Hygromycin B | VWR | CA80501-074 | |
Iron Sulfate Heptahydrate | VWR | 97061-542 | |
Laminar flow hood | CleanTech | 1000-6-A | |
LC-MS | Waters | LITR10064178 | UPLC/MS/MS TQD system |
Lyophilizer | Labconco | 700201000 | Temperature collector -50 °C |
Manganese Sulfate Hydrate | VWR | CAAA10807-14 | |
Methanol ≥99.8% ACS | VWR | BDH2018-5GLP | |
Paper towel | VWR | 89402-824 | |
Potato Dextrose Agar | VWR | CA90000-758 | |
Potato Dextrose Broth | VWR | CA90003-494 | |
Potsasium Phosphate Dibasic | VWR | 470302-246 | |
Potsasium Phosphate Monobasic | VWR | 470302-252 | |
Pressure Gauge 6mm Union Straight 0-10 bar (0-145 psi) | Tameson | F25U6 | |
Pseudomonas F Agar | VWR | 90003-352 | Also known as Flo Agar |
PTFE Tubing | Sigma Aldrich | 58697-U | 1/16 inch inner diameter |
Sodium Chloride | VWR | BDH9286-500G | |
Spatula | VWR | 82027-490 | |
Sterile Inoculation loops with needle | VWR | 76534-512 | |
Tinfoil | Thomas Scientific | 1086F24 | Can be purchased from supermarket |
TLC Silica Gel 60 RP-18 F254S 25 Glass Plates 20 X 20 cm | Thomas Scientific | 1205Q12 | |
Vacuum Pump | Labconco | 1472100 | 98 L/min |
Vortex | VWR | 76549-928 | Must accomadate 15 mL and 50 mL centrifuge tubes |
Whatman in-line HEPA-VENT | Millipore Sigma | WHA67235000 | 10 filters, 1/4 to 3/8 inch inlet/outlet |
VWR | 97063-370 |