Describimos el uso de cromatografía en capa fina, ensayo de bioautografía directa y cromatografía líquida-espectrometría de masas para identificar productos naturales microbianos que muestran antagonismo contra patógenos fúngicos utilizando el patógeno Sclerotinia sclerotiorum y aislados bioplaguicidas de Bacillus como sistema modelo.
La cromatografía en capa fina-bioautografía directa (TLC-DB) es un bioensayo bien establecido que se utiliza para separar e identificar productos naturales (NP) que son antagónicos contra un patógeno objetivo. Es una opción rápida, económica y sencilla para el aislamiento e identificación de NP guiados por bioensayos que dependen de la separación por TLC junto con la aplicación directa de un patógeno objetivo para examinar la bioactividad. Por lo general, se utiliza para el análisis de extractos de plantas bioactivas, detectando actividad inhibitoria contra bacterias, hongos y enzimas. Dicho esto, tiene un gran potencial en el descubrimiento de NP bacterianas, particularmente para evaluar NP bacterianas contra patógenos agrícolas pertinentes, lo cual es valioso para descubrir y desarrollar nuevos biopesticidas para la industria agrícola. Además, es un protocolo sintonizable que podría aplicarse a otros patógenos objetivo o fuentes de NP en programas de investigación relacionados con el descubrimiento e identificación de compuestos bioactivos. En este trabajo se describe un sistema modelo para el descubrimiento e identificación de NPs bioplaguicidas utilizando TLC-DB con Bacillus spp. y el patógeno agrícola Sclerotinia sclerotiorum.
Los patógenos agrícolas fúngicos causan pérdidas significativas en la calidad y el rendimiento de los cultivos en todo el mundo, lo que contribuye a los desafíos económicos y de suministro de un sistema mundial de producción de alimentos estable 1,2. El daño de los patógenos puede prevenirse mediante el mejoramiento de cultivares resistentes a la infección y el uso de sistemas integrados de manejo de cultivos, incluidas las rotaciones de cultivos y las prácticas de manejo de la tierra para suprimir la proliferación de patógenos 3,4. Aunque estos métodos reducen el daño a los cultivos, los pesticidas químicos generalmente se usan en conjunto para matar activamente las estructuras reproductivas de hongos en el campo y prevenir aún más el daño y la reducción del rendimiento. Aunque efectivo, el uso de plaguicidas químicos tiene muchos inconvenientes, incluido el daño a los ecosistemas circundantes, la disminución de la fertilidad del suelo, los riesgos asociados para la salud humana y el desarrollo de resistencia a patógenos, lo que hace que se requieran dosis más altas de pesticidas cada año 5,6,7.
Los productos de control de plagas y patógenos basados en microbios se han considerado durante mucho tiempo como posibles alternativas o complementos a los plaguicidas sintéticos. Desde principios de 1900, Bacillus thuringiensis ha sido ampliamente utilizado para controlar plagas y patógenos agrícolas como tratamiento de semillas, como pulverización foliar y en el tratamiento directo del suelo8. Dichos productos han sido denominados bioplaguicidas y se caracterizan como microorganismos naturales o bioquímicos que pueden matar, suprimir o reducir el vigor de una plaga o patógeno objetivo. Los bioplaguicidas pueden controlar el crecimiento de un patógeno a través de varios mecanismos, pero lo más común es que lo hagan a través de la secreción de metabolitos secundarios9. Los metabolitos secundarios, a menudo denominados productos naturales, no están involucrados en el metabolismo primario, pero se producen como una ventaja evolutiva para superar a otros microorganismos10.
Los bioplaguicidas ofrecen muchas ventajas sobre sus homólogos sintéticos. Presentan un riesgo de baja toxicidad para el medio ambiente, la fauna y los seres humanos en comparación con los productos sintéticos de control de plagas 9,10. Dado que la mayoría de los bioplaguicidas han existido naturalmente en el medio ambiente durante milenios, existen vías de biodegradación de los metabolitos microbianos en el medio ambiente, lo que limita la posibilidad de contaminación del suelo o del ecosistema y reduce los tiempos de residencia que contribuyen a que los plaguicidas sintéticos sean tan destructivos para el medio ambiente11. Además, muchos bioplaguicidas utilizados para mitigar la infección por patógenos también exhiben propiedades promotoras del crecimiento de las plantas, lo que puede aumentar la biodisponibilidad de nutrientes e inducir resistencia sistémica de las plantas12.
Lo más común es que los bioplaguicidas se apliquen en forma de inóculo microbiano y las NP sean secretadas por microorganismos vivos in situ12,13. En tal caso, identificar la fuente de la actividad de un bioplaguicida es de gran valor. De este modo, se obtiene información sobre el mecanismo de acción del biopesticida, se ayuda a construir un caso para la protección de un microorganismo con una patente y puede tener un impacto científico significativo si sus estructuras son novedosas. Sin embargo, lo más importante es que la identificación de la fuente bioactiva informa sobre las posibilidades de formulación de un producto bioplaguicida posterior. Si la NP en sí misma es activa, se puede utilizar el microorganismo como fábrica de biomoléculas para la producción de biopesticidas a gran escala. Además, muchas NP que se han explorado para el control biológico también tienen aplicaciones potenciales en la medicina humana, lo que las hace aún más valiosas económicamente8.
Los ensayos de cromatografía en capa fina-bioautografía directa (TLC-DB) son un método económico y sencillo para el aislamiento e identificación de metabolitos bioplaguidas guiados por bioactividad. Aunque la técnica se utiliza comúnmente para separar las pruebas de bioactividad de los fitoquímicos de los extractos crudos de plantas, también tiene un gran potencial para el análisis de extractos microbianos14. TLC proporciona una separación rápida y económica de NP en un extracto microbiano crudo, y después de recubrirlo con una suspensión de patógenos medios, las zonas que contienen metabolitos activos se visualizan fácilmente. Esas zonas pueden extraerse de la placa y extraerse para su análisis químico mediante cromatografía líquida de ultra alta resolución junto con espectrometría de masas (UPLC-MS) para identificar metabolitos conocidos. Los metabolitos que no coinciden con los compuestos previamente reportados pueden ser aislados en mayores cantidades a través de cromatografía líquida para someterse a estudios de elucidación de estructuras utilizando técnicas como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear y la cristalografía de rayosX 15.
En este artículo se describe un sistema modelo para el descubrimiento e identificación de NPs bioplaguicidas utilizando TLC-DB con Bacillus spp. y el patógeno agrícola Sclerotinia sclerotiorum. La Figura 1 proporciona una descripción general esquemática del procedimiento TLC-DB.
Figura 1: Resumen esquemático de los pasos 4-7 del procedimiento de TLC-DB. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
TLC-DB es una herramienta valiosa y bien establecida para la investigación de NP y una alternativa sencilla y económica a los métodos de aislamiento guiados por bioensayos en microplacas17. Requiere un tiempo y unos recursos materiales mínimos en comparación con los ensayos de microplacas, que requieren la separación de metabolitos mediante técnicas de cromatografía líquida. Es un ensayo muy versátil que puede utilizarse para detectar NPs antibacterianas, antifúngicas, antiparasitarias y antioxidantes, además de inhibidores enzimáticos 18,19,20,21,22,23. Aunque se utilizan más comúnmente para detectar e identificar fitoquímicos bioactivos, se puede aplicar el mismo método para las NP bacterianas que se explora en este protocolo18. Además, el protocolo se puede optimizar para su uso con una variedad de fuentes de NP y patógenos objetivo para ayudar a descubrir y evaluar nuevas NP bioactivas.
Los medios utilizados para el crecimiento bacteriano y el disolvente utilizado para la extracción pueden tener un gran impacto en los resultados del descubrimiento de productos naturales. Los medios utilizados en este protocolo están optimizados para bacterias que producen lipopéptidos cíclicos, incluidos Pseudomonas y Bacillus spp. Pero se deben considerar otros medios y fuentes de nutrientes si se exploran otros géneros. Se puede optar por completar la TLC-DB utilizando el mismo microorganismo cultivado en una variedad de medios para evaluar la amplitud total de la diversidad de metabolitos de un aislado o utilizar condiciones de crecimiento idénticas para una gama más amplia de aislados. La elección del disolvente de extracción también influye en los productos naturales detectados. En general, se entiende que la mayoría de las NP bioactivas tienen una polaridad baja a moderada, lo que hace que el acetato de etilo sea una opción adecuada debido a su bajo punto de ebullición, lo que hace que sea fácil de eliminar. Sin embargo, si también se desea examinar las fracciones polares y no polares, se pueden realizar extracciones múltiples con otros disolventes. Alternativamente, el extracto libre de células se puede liofilizar y usar en el ensayo para ver todos los metabolitos liberados en el medio. Sin embargo, a menudo será necesario cargar más material en la placa TLC para tener en cuenta los componentes de los medios secos en el material liofilizado. Del mismo modo, si este método se utiliza con un patógeno diferente, como el inóculo, se deben optimizar los medios utilizados y las condiciones de incubación para obtener las 5 placas de agar de micelio utilizadas para el ensayo TLC-DB.
La TLC-DB es ventajosa en comparación con la bioautografía de contacto e inmersión, ya que utiliza la capa más delgada de agar e inóculo, minimizando la dependencia de la difusión de metabolitos en la capa de agar, lo que puede permitir que cantidades más pequeñas de productos naturales induzcan la inhibición de patógenos17. Los hallazgos publicados anteriormente utilizando métodos bioautográficos de TLC han utilizado una suspensión de esporas del patógeno para completar el ensayo17. Aunque esto permite un control preciso sobre la concentración de la suspensión, puede ser extremadamente difícil y llevar mucho tiempo inducir la esporulación de ciertos hongos24. Esta modificación simplifica en gran medida el ensayo y permite completarlo utilizando patógenos fúngicos que son difíciles de esporular y que pueden haberse evitado previamente con este método.
La masa de extracto bacteriano utilizada en el ensayo puede afectar los resultados. Si se aplica muy poco extracto a la placa TLC, es posible que no se supere la concentración inhibitoria mínima de un compuesto activo y no se detecte la bioactividad. Como resultado, en algunos casos, y como se ve en la Figura 1 y la Figura 2, vale la pena sobrecargar la placa TLC, comprometiendo la separación para la capacidad de detectar fácilmente la actividad. Del mismo modo, la carga de patógenos rociada en la placa no debe ser demasiado baja, ya que no se aplicarán suficientes medios para apoyar el crecimiento de patógenos. Este método se puede ajustar fácilmente para adaptarse a una variedad de extractos bacterianos y patógenos, y las cantidades de extracto microbiano e inóculo descritas en el protocolo han garantizado que se pueda detectar la bioactividad de múltiples patógenos y extractos microbianos. Si no se observan zonas de inhibición al finalizar el ensayo, puede indicar una de las siguientes características. En primer lugar, es posible que los metabolitos activos no estén presentes en el extracto aplicado debido a que se utilizan medios incompatibles para el crecimiento bacteriano o debido a que la actividad de las bacterias no es el resultado de la producción de NP. Se puede completar un ensayo de difusión en disco con el extracto para confirmar o negar la existencia de NP activas en el extracto. Si el ensayo de difusión en disco no muestra supresión de patógenos, se pueden probar otros medios para determinar si otras condiciones producen NP bioactivas. Si el ensayo de difusión en disco indica que el extracto suprime el patógeno, entonces puede ser necesario aplicar una masa más grande del extracto bacteriano a la placa TLC, en cuyo caso se puede intentar otro ensayo.
La comparación de los metabolitos de la ZOI con el extracto crudo es esencial para identificar las NP activas. En el ensayo, los metabolitos del extracto crudo pueden ser metabolizados o modificados por el patógeno, lo que se puede observar a través de LC-MS. Por lo tanto, solo los metabolitos que se encuentran tanto en el extracto crudo como en la ZOI pueden considerarse como NP producidos por las bacterias en estudio. Si no se pueden correlacionar los metabolitos extraídos de la ZOI con los metabolitos del extracto crudo, se puede preparar una placa de TLC, como se describe en el paso 5. Sin completar el ensayo de bioautografía, extraiga los metabolitos de la placa TLC con el mismo tiempo de retención observado en el ensayo completado. Esto debería permitir una correlación más fácil entre los metabolitos de las ZOI y el extracto crudo, lo que provoca la supresión de patógenos.
Un inconveniente de TLC-DB es que la resolución de TLC es considerablemente menor que la que se logra cuando se utilizan técnicas tradicionales de detección de micropocillos, que requieren cromatografía líquida para la separación. Por lo tanto, es común que existan múltiples metabolitos en la zona de inhibición donde algunos metabolitos pueden no estar contribuyendo a la bioactividad. Este problema puede deberse a la práctica de sobrecargar la placa TLC para observar la bioactividad con mayor claridad. Se han publicado trabajos recientes utilizando TLC de alto rendimiento (HP-TLC), que mejora en gran medida la resolución y puede permitir la automatización del desarrollo de TLC que de otro modo sería imposible cuando se utiliza TLC convencional 14,21,22,23. Además, las placas se pueden desarrollar en una segunda dimensión (2D-TLC) para separar aún más los metabolitos con tiempos de retención similares. Dicho esto, hay que evaluar si el aumento del tiempo y el coste del material es un compromiso que merece la pena para aumentar la resolución obtenida de HP y 2D-TLC25.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Agriculture and Agri-Food Canada por la financiación que ha sido posible gracias a esta investigación (proyectos J-001843 y J-002021). Agradecemos a Brett van Heyningen por filmar el contenido de video para este protocolo. También nos gustaría agradecer a los antiguos estudiantes de posgrado (Jennifer Vacon y Mark Nabuurs) por sus conocimientos sobre los métodos descritos en este 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 |