Summary

Preparación de la muestra de<em> Mycobacterium tuberculosis</em> Extractos de Estudios de Resonancia Magnética Nuclear metabolómica

Published: September 03, 2012
doi:

Summary

El perfil de metabolómica<em> Mycobacterium tuberculosis</em> Se determina después de crecimiento en cultivos de caldo. Las condiciones se pueden variar para probar los efectos de los suplementos nutricionales, agentes oxidantes, y agentes contra la tuberculosis en el perfil metabólico de este microorganismo. Procedimiento para la preparación del extracto es aplicable tanto para 1D<sup> 1</sup> H y 2D<sup> 1</sup> H-<sup> 13</sup> C análisis de RMN.

Abstract

Mycobacterium tuberculosis es la principal causa de mortalidad en los seres humanos a escala mundial. La aparición de ambos múltiples (MDR) y ampliamente-(XDR) de las cepas resistentes a los medicamentos amenaza con descarrilar los esfuerzos actuales de control de la enfermedad. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar fármacos y vacunas que son más eficaces que los disponibles actualmente. El genoma de M. tuberculosis se conoce desde hace más de 10 años, sin embargo hay importantes lagunas en nuestro conocimiento de la función de los genes y la esencialidad. Muchos estudios han utilizado desde entonces el análisis de la expresión génica a nivel transcriptomic y proteómicos para determinar los efectos de las drogas, oxidantes, y las condiciones de crecimiento en los patrones globales de expresión génica. En última instancia, la respuesta final de estos cambios se refleja en la composición metabólico de la bacteria incluyendo unos pocos miles de productos químicos de bajo peso molecular. Comparando los perfiles metabólicos de tipo salvaje y cepas mutantes, o bien no tratados o treated con un fármaco particular, puede efectivamente permitir la identificación del blanco y puede conducir al desarrollo de nuevos inhibidores con actividad antituberculosa. Del mismo modo, los efectos de dos o más condiciones en el metaboloma también se puede evaluar. Resonancia magnética nuclear (RMN) es una poderosa tecnología que se utiliza para identificar y cuantificar los intermediarios metabólicos. En este protocolo, los procedimientos para la preparación de M. extractos celulares tuberculosis para análisis de RMN se describen metabolómico. Los cultivos de células se cultivan en condiciones apropiadas y contención requerido nivel de bioseguridad 3, 1 recolectadas, y se sometieron a lisis mecánica, manteniendo las temperaturas frías para maximizar la conservación de los metabolitos. Los lisados ​​celulares se recuperó, se filtró esterilizada, y se almacena a temperaturas ultra-bajas. Partes alícuotas de estos extractos celulares se sembraron en agar Middlebrook 7H9 para unidades formadoras de colonias para verificar la ausencia de células viables. Tras dos meses de incubación a 37 ° C, si no vicolonias capaces se observan, las muestras se retiran de la instalación de contención para el procesamiento aguas abajo. Los extractos se liofilizaron, se resuspendieron en tampón deuterado y se inyectó en el instrumento de RMN, la captura de los datos espectroscópicos que se somete después a análisis estadístico. Los procedimientos descritos se pueden aplicar por tanto de una dimensión (1D) de RMN 1 H y de dos dimensiones (2D) 1 H-13 C análisis de RMN. Esta metodología proporciona más fiable identificación de pequeño peso molecular metabolito y análisis cuantitativos más fiables y sensibles de las composiciones de extracto de células metabólicas que los métodos cromatográficos. Las variaciones del procedimiento descrito después de la etapa de lisis celular también se puede adaptar para el análisis proteómico paralelo.

Protocol

1. Protocolo de Texto Este protocolo pone de manifiesto la adaptación de la metodología de RMN para M. tuberculosis (Clase agente III). Por lo tanto, las prácticas de bioseguridad de nivel 3 (BSL3) deben ser seguidos cuando se realiza M. tuberculosis investigación en un laboratorio certificado anualmente. La exposición a aerosoles generados en laboratorio es el riesgo más importante encontrado por el personal que trabaja con estos microorganismos. Los siguientes procedi…

Discussion

Un gran número de estudios han analizado los perfiles transcriptomic y proteómicos de M. tuberculosis bajo una variedad de ensayos in vitro e in vivo. 11-16 En última instancia, los cambios en la expresión génica y la actividad enzimática conducen a variaciones en las concentraciones de las pequeñas moléculas de peso molecular. La descripción completa de estos compuestos constituye el metaboloma. Por lo tanto, los efectos de las drogas y las diferentes condiciones …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores desean agradecer a todos los miembros de los laboratorios del Dr. Barletta y Powers Dr. útiles comentarios durante el desarrollo del protocolo. Damos las gracias a Wendy Austin útil para los debates y correcciones del manuscrito. El trabajo que se describe en este manuscrito fue financiado por becas piloto de semillas para cada investigador mencionado anteriormente de la Universidad de Nebraska-Lincoln Center Biología redox (padre subvención # 017675 2P20RR CNRR, D. Becker, PI). Además, agradecemos a la Dra. Ofelia Chacón para el suministro de fondos de la subvención R21 (1R21AI087561-01A1) para suministros de investigación y de apoyo a sueldo parcial Sr. Halouska para estandarizar técnicas de RMN incluyen en esta publicación.

Materials

Name of the Reagent/Equipment Company Catalogue Number Comments
ADC Enrichment BD BBL Middlebrook 212352  
BACS-120 Sample Changer Bruker    
Bruker Avance NMR Bruker   500 MHz
Bovine Serum Albumin Fisher Scientific BP1600-100 Fraction V
Centrifuge Beckman Coulter Allegra X-15R Benchtop
Centrifuge Tubes Corning 430291 50 ml sterile polypropylene
Cryogenic Vials Corning 430488 2.0 ml sterile polypropylene
Cycloheximide A.G. Scientific C-1189 Toxic
D(+) – Glucose ACROS 41095-0010  
Deuterium Oxide Sigma Aldrich 617385  
Erlenmeyer Flask VWR 89095-266 Sterile, flat base, polycarbonate, 0.22 μm PTFE membrane vented cap
Flash Freeze Flask VWR 82018-226 750 ml
Freeze Dryer VWR 82019-038 4.5 L Benchtop
Glycerol GibcoBRL 15514-029  
Incubator New Brunswick Innova 40 Benchtop shaker
Lysing Matrix B MP Biomedicals 6911-100  
Lysis Machine MP Biomedicals FastPrep-24  
Microcentrifuge Eppendorf 5415D Benchtop
Microcentrifuge Beckman Coulter Microfuge 22R Benchtop
Middlebrook 7H9 Broth Difco 271310  
NMR tubes Norell ST500-7 5mM
OADC Enrichment BD BBL Middlebrook 212351  
Oleic Acid Sigma O1008  
Potassium Phosphate Dibasic VWR BDH0266  
Potassium Phosphate Monobasic VWR BDH0268  
Rotor – Microfuge 22R Beckman Coulter F241.5P Sealed and polypropylene
Rotor – Allegra X-15R Beckman Coulter SX4750 With bio-certified covers
Sodium Chloride Fisher Scientific S271-3  
Sodium-3-trimethylsilylpropionate-2,2,3,3-D4 Cambridge Isotope DLM-48  
Spectrophotometer Beckman Coulter DU-530  
Spectrophotometer Cuvettes LifeLINE LS-2410 1.5 ml polystyrene, 2 clear sides
Syringe Becton Dickinson 309585 Sterile, 3 ml Luer-Lok
Syringe Filter Nalgene 190-2520 0.2 μm sterile cellulose acetate
Tween 80 Fisher Scientific BP338-500  

References

  1. Larsen, M. H., Biermann, K., Tandberg, S., Hsu, T., Jacobs, W. R. Genetic Manipulation of Mycobacterium tuberculosis. Curr. Protoc. Microbiol. Chapter 10, 2 (2007).
  2. Larsen, M. H., Biermann, K., Jacobs, W. R. Laboratory Maintenance of Mycobacterium tuberculosis. Curr. Protoc. Microbiol. Chapter 10, 1 (2007).
  3. Clarridge, J. E., Shawar, R. M., Shinnick, T. M., Plikaytis, B. B. Large-scale use of polymerase chain reaction for detection of Mycobacterium tuberculosis in a routine mycobacteriology laboratory. J. Clin. Microbiol. 31, 2049-2056 (1993).
  4. Nguyen, B. D., Meng, X., Donovan, K. J., Shaka, A. J. SOGGY: solvent-optimized double gradient spectroscopy for water suppression. A comparison with some existing techniques. J. Magn. Reson. 184, 263-274 (2007).
  5. Cui, Q. Metabolite identification via the Madison Metabolomics Consortium Database. Nat. Biotechnol. 26, 162-164 (2008).
  6. Ulrich, E. L. BioMagResBank. Nucleic Acids Res. 36, 402-408 (2008).
  7. Wishart, D. S. HMDB: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Res. 35, 521-526 (2007).
  8. Kanehisa, M. KEGG for linking genomes to life and the environment. Nucleic Acids Res. 36, 480-484 (2008).
  9. Karp, P. D. Expansion of the BioCyc collection of pathway/genome databases to 160 genomes. Nucleic Acids Res. 33, 6083-6089 (2005).
  10. Halouska, S. Use of NMR metabolomics to analyze the targets of D-cycloserine in mycobacteria: role of D-alanine racemase. J. Proteome. Res. 6, 4608-4614 (2007).
  11. Boshoff, H. I. The transcriptional responses of Mycobacterium tuberculosis to inhibitors of metabolism: novel insights into drug mechanisms of action. J. Biol. Chem. 279, 40174-40184 (2004).
  12. Mehaffy, C. Descriptive proteomic analysis shows protein variability between closely related clinical isolates of Mycobacterium tuberculosis. Proteomics. 10, 1966-1984 (2010).
  13. Schnappinger, D. Transcriptional Adaptation of Mycobacterium tuberculosis within Macrophages: Insights into the Phagosomal Environment. J. Exp. Med. 198, 693-704 (2003).
  14. Schnappinger, D., Schoolnik, G. K., Ehrt, S. Expression profiling of host pathogen interactions: how Mycobacterium tuberculosis and the macrophage adapt to one another. Microbes. Infect. 8, 1132-1140 (2006).
  15. Shui, W. Quantitative proteomic profiling of host-pathogen interactions: the macrophage response to Mycobacterium tuberculosis lipids. J. Proteome. Res. 8, 282-289 (2009).
  16. Talaat, A. M., Lyons, R., Howard, S. T., Johnston, S. A. The temporal expression profile of Mycobacterium tuberculosis infection in mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 4602-4607 (2004).
  17. Forgue, P. NMR metabolic profiling of Aspergillus nidulans to monitor drug and protein activity. J. Proteome Res. 5, 1916-1923 (2006).
  18. Goodacre, R., Vaidyanathan, S., Dunn, W. B., Harrigan, G. G., Kell, D. B. Metabolomics by numbers: acquiring and understanding global metabolite data. Trends Biotechnol. 22, 245-252 (2004).
  19. Shin, J. H. NMR-based Metabolomic Profiling in Mice Infected with Mycobacterium tuberculosis. J. Proteome Res. 10, 2238-2247 (2011).
  20. Jaki, B. U., Franzblau, S. G., Cho, S. H., Pauli, G. F. Development of an extraction method for mycobacterial metabolome analysis. J. Pharm. Biomed. Anal. 41, 196-200 (2006).
  21. de Carvalho, L. P. Metabolomics of Mycobacterium tuberculosis reveals compartmentalized co-catabolism of carbon substrates. Chem. Biol. 17, 1122-1131 (2010).
  22. de Carvalho, L. P. Activity-based metabolomic profiling of enzymatic function: identification of Rv1248c as a mycobacterial 2-hydroxy-3-oxoadipate synthase. Chem. Biol. 17, 323-332 (2010).
  23. Marrero, J., Rhee, K. Y., Schnappinger, D., Pethe, K., Ehrt, S. Gluconeogenic carbon flow of tricarboxylic acid cycle intermediates is critical for Mycobacterium tuberculosis to establish and maintain infection. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 9819-9824 (2010).
  24. Tang, Y. J. Central metabolism in Mycobacterium smegmatis during the transition from O2-rich to O2-poor conditions as studied by isotopomer-assisted metabolite analysis. Biotechnol. Lett. 31, 1233-1240 (2009).
  25. Kweon, O. A polyomic approach to elucidate the fluoranthene-degradative pathway in Mycobacterium vanbaalenii PYR-1. J. Bacteriol. 189, 4635-4647 (2007).
  26. Hasan, M. R., Rahman, M., Jaques, S., Purwantini, E., Daniels, L. Glucose 6-phosphate accumulation in mycobacteria: implications for a novel F420-dependent anti-oxidant defense system. J. Biol. Chem. 285, 19135-19144 (2010).
  27. Soga, T. Quantitative metabolome analysis using capillary electrophoresis mass spectrometry. J. Proteome Res. 2, 488-494 (2003).
  28. Metz, T. O. The future of liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) in metabolic profiling and metabolomic studies for biomarker discovery. Biomark Med. 1, 159-185 (2007).
  29. Ludwig, C., Viant, M. R. Two-dimensional J-resolved NMR spectroscopy: review of a key methodology in the metabolomics toolbox. Phytochem. Anal. 21, 22-32 (2010).
  30. Simpson, R. J., Inglis, J. . Proteins and Proteomics: A Laboratory Manual. , 425-595 (2003).
  31. Beste, D. J., McFadden, J. System-level strategies for studying the metabolism of Mycobacterium tuberculosis. Mol. Biosyst. 6, 2363-2372 (2010).
  32. Rhee, K. Y. Central carbon metabolism in Mycobacterium tuberculosis: an unexpected frontier. Trends Microbiol. , (2011).
  33. Who. Health Organization. Anti-tuberculosis Drug Resistance in the World: Report No. 4. , (2008).
  34. Jassal, M., Bishai, W. R. Extensively drug-resistant tuberculosis. Lancet Infect Dis. 9, 19-30 (2009).

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Cite This Article
Zinniel, D. K., Fenton, R. J., Halouska, S., Powers, R., Barletta, R. G. Sample Preparation of Mycobacterium tuberculosis Extracts for Nuclear Magnetic Resonance Metabolomic Studies. J. Vis. Exp. (67), e3673, doi:10.3791/3673 (2012).

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