Descrevemos o uso de cromatografia em camada delgada, ensaio de bioautografia direta e cromatografia líquida-espectrometria de massa para identificar produtos naturais microbianos que apresentam antagonismo contra patógenos fúngicos usando o patógeno Sclerotinia sclerotiorum e isolados de Bacillus biopesticidas como sistema modelo.
A bioautografia direta por cromatografia em camada delgada (TLC-DB) é um bioensaio bem estabelecido usado para separar e identificar produtos naturais (NPs) que são antagônicos contra um patógeno alvo. É uma opção rápida, barata e simples para o isolamento guiado por bioensaio e identificação de NPs que depende da separação por TLC juntamente com a aplicação direta de um patógeno alvo para examinar a bioatividade. É normalmente usado para a análise de extratos de plantas bioativas, detectando atividade inibitória contra bactérias, fungos e enzimas. Dito isto, tem um grande potencial na descoberta de NPs bacterianas, particularmente para avaliar NPs bacterianas contra patógenos agrícolas pertinentes, o que é valioso para descobrir e desenvolver novos biopesticidas para a indústria agrícola. Além disso, é um protocolo sintonizável que pode ser aplicado a outros patógenos alvo ou fontes de NPs em programas de pesquisa relacionados à descoberta e identificação de compostos bioativos. Aqui, descrevemos um sistema modelo para descoberta e identificação de NPs de biopesticidas usando TLC-DB com Bacillus spp. e o patógeno agrícola Sclerotinia sclerotiorum.
Os patógenos agrícolas fúngicos causam perdas significativas na qualidade e na produtividade das culturas em todo o mundo, contribuindo para os desafios econômicos e de abastecimento de um sistema global estável de produção de alimentos 1,2. Os danos causados por patógenos podem ser evitados com o melhoramento de cultivares resistentes à infecção e o uso de sistemas integrados de manejo de culturas, incluindo rotações de culturas e práticas de manejo da terra para suprimir a proliferação de patógenos 3,4. Embora esses métodos reduzam os danos às plantações, os pesticidas químicos são geralmente usados em conjunto para matar ativamente as estruturas reprodutivas fúngicas no campo e evitar danos e reduções de rendimento. Embora eficaz, o uso de pesticidas químicos tem muitas desvantagens, incluindo danos aos ecossistemas circundantes, declínio na fertilidade do solo, riscos associados à saúde humana e o desenvolvimento de resistência a patógenos, este último causando a necessidade de doses mais altas de pesticidas a cada ano 5,6,7.
Os produtos de controle de pragas e patógenos de base microbiana há muito são considerados alternativas potenciais ou complementares aos pesticidas sintéticos. Desde o início dos anos 1900, o Bacillus thuringiensis tem sido amplamente utilizado para controlar pragas e patógenos agrícolas como tratamento de sementes, pulverização foliar e tratamento direto do solo8. Esses produtos foram denominados biopesticidas e são caracterizados como microrganismos ou bioquímicos naturais que podem matar, suprimir ou reduzir o vigor de uma praga ou patógeno alvo. Os biopesticidas podem controlar o crescimento de um patógeno por meio de vários mecanismos, mas mais comumente o fazem por meio da secreção de metabólitos secundários9. Os metabólitos secundários, muitas vezes chamados de produtos naturais, não estão envolvidos no metabolismo primário, mas são produzidos como uma vantagem evolutiva para superar outros microrganismos10.
Os biopesticidas oferecem muitas vantagens sobre seus equivalentes sintéticos. Eles representam um baixo risco de toxicidade para o meio ambiente, fauna e humanos em comparação com produtos sintéticos de manejo de pragas 9,10. Como a maioria dos biopesticidas existe naturalmente no meio ambiente há milênios, existem vias de biodegradação para metabólitos microbianos no meio ambiente, limitando a possibilidade de contaminação do solo ou do ecossistema e reduzindo os tempos de residência que contribuem para que os pesticidas sintéticos sejam tão destrutivos para o meio ambiente11. Além disso, muitos biopesticidas usados para mitigar a infecção por patógenos também exibem propriedades promotoras do crescimento das plantas, o que pode aumentar a biodisponibilidade de nutrientes e induzir a resistência sistêmica das plantas12.
Mais comumente, os biopesticidas são aplicados na forma de inóculo microbiano e os NPs são secretados por microrganismos vivos in situ12,13. Nesse caso, identificar a fonte da atividade de um biopesticida é de grande valia. Isso fornece informações sobre o mecanismo de ação do biopesticida, ajuda na construção de um caso para a proteção de um microrganismo com patente e pode ter um impacto científico significativo se suas estruturas forem novas. Mais importante, no entanto, a identificação da fonte bioativa informa as possibilidades de formulação de um produto biopesticida a jusante. Se o próprio NP estiver ativo, pode-se usar o microrganismo como uma fábrica de biomoléculas para a produção de biopesticidas em larga escala. Além disso, muitos NPs que foram explorados para biocontrole também têm aplicações potenciais na medicina humana, tornando-os ainda mais valiosos economicamente8.
Os ensaios de bioautografia direta por cromatografia em camada delgada (TLC-DB) são um método barato e direto para o isolamento guiado por bioatividade e identificação de metabólitos biopesticidas. Embora a técnica seja comumente utilizada para separar o teste de bioatividade de fitoquímicos de extratos vegetais brutos, ela também tem grande potencial para a análise de extratos microbianos14. O TLC fornece separação rápida e barata de NPs em um extrato microbiano bruto e, após o revestimento com uma suspensão de patógeno de meio, as zonas que contêm metabólitos ativos são facilmente visualizadas. Essas zonas podem ser raspadas da placa e extraídas para análise química por cromatografia líquida de ultra-alta eficiência acoplada à espectrometria de massa (UPLC-MS) para identificar metabólitos conhecidos. Os metabólitos que não correspondem aos compostos relatados anteriormente podem ser isolados em maiores quantidades por cromatografia líquida para serem submetidos a estudos de elucidação da estrutura usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear e cristalografia de raios-X15.
Este artigo descreve um sistema modelo para descoberta e identificação de NPs de biopesticidas usando TLC-DB com Bacillus spp. e o patógeno agrícola Sclerotinia sclerotiorum. A Figura 1 fornece uma visão geral esquemática do procedimento TLC-DB.
Figura 1: Visão geral esquemática das etapas 4-7 do procedimento do TLC-DB. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O TLC-DB é uma ferramenta de pesquisa NP valiosa e bem estabelecida e uma alternativa simples e barata aos métodos de isolamento guiados por bioensaio de microplacas17. Requer tempo e recursos materiais mínimos em comparação com os ensaios de microplacas, que requerem separação de metabólitos usando técnicas de cromatografia líquida. É um ensaio altamente versátil que pode ser usado para detectar NPs antibacterianos, antifúngicos, antiparasitários e antioxidantes, além de inibidores enzimáticos 18,19,20,21,22,23. Embora mais comumente usado para detectar e identificar fitoquímicos bioativos, o mesmo método pode ser aplicado para NPs bacterianas, conforme explorado neste protocolo18. Além disso, o protocolo pode ser otimizado para uso com uma variedade de fontes de NP e patógenos-alvo para auxiliar na descoberta e avaliação de novos NPs bioativos.
O meio usado para o crescimento bacteriano e o solvente usado para extração podem afetar muito os resultados da descoberta de produtos naturais. O meio utilizado neste protocolo é otimizado para bactérias produtoras de lipopeptídeos cíclicos, incluindo Pseudomonas e Bacillus spp. mas outros meios e fontes de nutrientes devem ser considerados ao explorar outros gêneros. Pode-se optar por completar o TLC-DB usando o mesmo microrganismo cultivado em uma variedade de meios para avaliar toda a amplitude da diversidade de metabólitos de um isolado ou usar condições de crescimento idênticas para uma gama mais ampla de isolados. A escolha do solvente de extração também afeta os produtos naturais detectados. É geralmente entendido que a maioria dos NPs bioativos tem polaridade baixa a moderada, tornando o acetato de etila uma escolha adequada devido ao seu baixo ponto de ebulição, o que facilita a remoção. No entanto, se também se deseja examinar as frações polares e apolares, podem ser realizadas múltiplas extrações com outros solventes. Alternativamente, o extrato livre de células pode ser liofilizado e usado no ensaio para ver todos os metabólitos liberados no meio. No entanto, muitas vezes será necessário carregar mais material na placa de TLC para contabilizar os componentes de mídia seca no material liofilizado. Da mesma forma, se este método for usado com um patógeno diferente, como inóculo, o meio usado e as condições de incubação devem ser otimizados para obter as 5 placas de ágar de micélio usadas para o ensaio TLC-DB.
O TLC-DB é vantajoso em comparação com a bioautografia de contato e imersão, pois utiliza a camada mais fina de ágar e inóculo, minimizando a dependência da difusão de metabólitos na camada de ágar, o que pode permitir que quantidades menores de produtos naturais induzam a inibição do patógeno17. Achados publicados anteriormente usando métodos bioautográficos de TLC usaram uma suspensão de esporos do patógeno para completar o ensaio17. Embora isso permita um controle preciso sobre a concentração da suspensão, pode ser extremamente difícil e demorado induzir a esporulação de certos fungos24. Essa modificação simplifica muito o ensaio e permite a conclusão do ensaio usando patógenos fúngicos que são difíceis de esporular e podem ter sido evitados anteriormente para este método.
A massa de extrato bacteriano usada no ensaio pode afetar os resultados. Se muito pouco extrato for aplicado à placa TLC, é possível que a concentração inibitória mínima de um composto ativo não seja ultrapassada e a bioatividade não seja detectada. Como resultado, em alguns casos, e como visto na Figura 1 e na Figura 2, vale a pena sobrecarregar a placa de CCD, comprometendo a separação para a capacidade de detectar facilmente a atividade. Da mesma forma, a carga de patógenos pulverizada na placa não deve ser muito baixa, pois não haverá meio suficiente aplicado para suportar o crescimento do patógeno. Este método pode ser facilmente ajustado para acomodar uma variedade de extratos bacterianos e patógenos, e as quantidades de extrato microbiano e inóculo descritas no protocolo garantiram que a bioatividade possa ser detectada para vários patógenos e extratos microbianos. Se não forem observadas zonas de inibição após a conclusão do ensaio, pode indicar uma das seguintes situações. Primeiro, os metabólitos ativos podem não estar presentes no extrato aplicado devido ao uso de meios incompatíveis para o crescimento bacteriano ou devido à atividade da bactéria não ser resultado da produção de NP. Um ensaio de difusão em disco com o extrato pode ser concluído para confirmar ou negar a existência de NPs ativos no extrato. Se o ensaio de difusão em disco não mostrar supressão de patógenos, outros meios podem ser testados para determinar se outras condições produzem NPs bioativas. Se o ensaio de difusão em disco indicar que o extrato suprime o patógeno, pode ser necessário aplicar uma massa maior do extrato bacteriano à placa de TLC, caso em que outro ensaio pode ser tentado.
A comparação de metabólitos no ZOI com o extrato bruto é essencial para a identificação de NPs ativos. No ensaio, os metabólitos do extrato bruto podem ser metabolizados ou modificados pelo patógeno, o que pode ser observado via LC-MS. Assim, apenas os metabólitos que ocorrem tanto no extrato bruto quanto no ZOI podem ser considerados como NPs produzidos pela bactéria em estudo. Se não for possível correlacionar os metabólitos extraídos do ZOI com os metabólitos do extrato bruto, uma placa de TLC pode ser preparada, conforme descrito na etapa 5. Sem completar o ensaio de bioautografia, extrair os metabolitos da placa TLC com o mesmo tempo de retenção observado no ensaio concluído. Isso deve permitir uma correlação mais fácil entre os metabólitos nos ZOIs e o extrato bruto, causando supressão de patógenos.
Uma desvantagem do TLC-DB é que a resolução do TLC é consideravelmente menor do que a alcançada ao usar técnicas tradicionais de triagem de micropoços, que requerem cromatografia líquida para separação. Assim, é comum que existam múltiplos metabólitos na zona de inibição, onde alguns metabólitos podem não estar contribuindo para a bioatividade. Esse problema pode ser causado ainda mais pela prática de sobrecarregar a placa TLC para observar a bioatividade com mais clareza. Trabalhos recentes foram publicados usando TLC de alto desempenho (HP-TLC), que melhora muito a resolução e pode permitir a automação do desenvolvimento de TLC que de outra forma seria impossível ao usar TLC convencional 14,21,22,23. Além disso, as placas podem ser desenvolvidas em uma segunda dimensão (2D-TLC) para separar ainda mais os metabólitos com tempos de retenção semelhantes. Dito isto, deve-se avaliar se o aumento do tempo e do custo do material é um compromisso que vale a pena para o aumento da resolução obtida com HP- e 2D-TLC25.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos à Agriculture and Agri-Food Canada pelo financiamento sob o qual esta pesquisa foi possível (projetos J-001843 e J-002021). Agradecemos a Brett van Heyningen por filmar o conteúdo do vídeo para este protocolo. Também gostaríamos de agradecer aos ex-alunos de pós-graduação (Jennifer Vacon e Mark Nabuurs) por suas percepções sobre os métodos descritos neste manuscrito.
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 |