La definición de Sustrato especificidades para la lipasa y la fosfolipasa candidatos
Summary
Many predicted (phospho)lipases are poorly characterized with regard to their substrate specificities and physiological functions. Here we provide a protocol to optimize enzyme activities, search for natural substrates, and propose physiological functions for these enzymes.
Abstract
Los microorganismos producen un amplio espectro de lipasas (fosfo) que son secretadas en el fin de hacer los sustratos externos disponibles para el organismo. Alternativamente, otros (fosfo) lipasas pueden estar asociadas físicamente con el organismo productor causando una facturación de lípidos intrínsecos y con frecuencia dando lugar a una remodelación de las membranas celulares. Aunque potenciales (fosfo) lipasas se pueden predecir con un número de algoritmos cuando la secuencia de gen / proteína está disponible, no ha sido obtenido con frecuencia prueba experimental de las actividades enzimáticas, especificidades de sustrato, y posibles funciones fisiológicas. Este manuscrito describe la optimización de las condiciones de ensayo de (fosfo) lipasas prospectivos con especificidades de sustrato desconocidos y cómo emplear estas condiciones optimizadas en la búsqueda para el sustrato natural de un respectivo lipasa (fosfo). El uso de sustratos cromogénicos artificiales, tales como derivados de p-nitrofenil, puede ayudar a detectar un menorla actividad enzimática de una lipasa predicho (fosfo) en condiciones estándar. Después de haber encontrado una actividad enzimática tal menor, los parámetros distintos de un ensayo enzimático se pueden variar con el fin de obtener una hidrólisis más eficiente del sustrato artificial. Después de haber determinado las condiciones en las que una enzima funciona bien, una variedad de posibles sustratos naturales deben ser analizadas para su degradación, un proceso que puede ser seguido empleando métodos cromatográficos diferentes. La definición de especificidades de sustrato de nuevas enzimas, a menudo proporciona hipótesis para un posible papel fisiológico de estos enzimas, que a continuación pueden ser probados experimentalmente. Siguiendo estas directrices, hemos sido capaces de identificar una fosfolipasa C (SMc00171) que degrada la fosfatidilcolina a fosfocolina y diacilglicerol, en un paso crucial para la remodelación de las membranas en la bacteria Sinorhizobium meliloti de las condiciones de fósforo limitante del crecimiento. Para dos predijo patatin-como fosfolipasas (SMc00930 y SMc01003) del mismo organismo, podríamos redefinir sus especificidades de sustrato y aclarar que SMc01003 es una lipasa diacilglicerol.
Introduction
Lípidos basados en glicerol tales como triglicéridos y fosfolípidos (glicero) constituyen importantes y probablemente las clases de lípidos más conocidos 1. Triglicéridos (TG) son grasas o aceites, que por lo general funcionan como lípidos de almacenamiento, y por lo tanto, como posibles fuentes de energía y de carbono. Las etiquetas pueden ser degradadas por las lipasas, que con frecuencia son secretadas por el organismo productor de digerir variables externas y ponerlos a disposición como fuentes de carbono. Además, las lipasas se han estudiado ampliamente en los últimos años debido a sus importantes aplicaciones biotecnológicas 2.
Debido a su naturaleza anfifílica y su forma casi cilíndrica, (glicero fosfolípidos) exhiben propiedades de formación de membrana y por lo general constituyen los principales componentes lipídicos de la membrana de dos capas 3. En los microorganismos simples, tales como la bacteria Escherichia coli, sólo tres variantes principales del grupo de cabeza, fosfatidilglicerol (PG), cardiolipina (CL), y phosphatidylethanolamine (PE) se encontró, aunque se debe tener en cuenta que cada uno de ellos puede estar sustituido con un número considerable de diferentes cadenas de acilo graso en la posición sn -1 o sn -2 posición que da lugar a un gran número de diferentes especies moleculares de 4 . Otras bacterias podrían tener otros fosfolípidos, además o en lugar. Por ejemplo, Sinorhizobium meliloti, una bacteria del suelo, que es capaz de formar una raíz simbiosis nódulo de fijación de nitrógeno con la alfalfa leguminosas (Medicago sativa), contiene, además de PE un segundo fosfolípido zwitteriónico, la fosfatidilcolina (PC) 5. Además, los lípidos no contiene fósforo o glicerol pueden ser anfífilo y forma parte de la membrana celular. Por ejemplo, de las condiciones de crecimiento de fósforo limitativo, en S. meliloti, (glicero fosfolípidos) se sustituyen en gran medida por los lípidos de membrana que no contienen fósforo, es decir, sulfolípidos, lípidos ornitina, y diacylglyceryl trimethylhomoserine (DGTS) 6. En las bacterias, DGTS se forma a partir de diacilglicerol (DAG) en una vía de dos pasos 7, pero la fuente para la generación de DAG no estaba claro. Experimentos de pulso-caza sugirieron que PC puede ser un precursor para DGTS 8 y usando la metodología descrita en este manuscrito podríamos identificar una fosfolipasa C (PLCP, SMc00171) que se forma en condiciones de fósforo limitativo y que puede convertir PC en DAG y fosfocolina 8.
En un estudio separado, descubrimos que un acil-CoA sintetasa (FADD) mutante deficiente en S. meliloti o de Escherichia coli acumula ácidos grasos libres al entrar en la fase estacionaria de crecimiento 9. Aunque estos ácidos grasos parecían ser derivados de lípidos de la membrana, no se sabe que la fuente precisa de los ácidos grasos libres o la enzima (s) liberándolos. Una vez más, empleando la estrategia descrita en este manuscrito, dos 10 (fosfo) lipasas patatina-como (SMc00930 y SMc01003) que contribuyó a la formación de ácidos grasos libres en S. meliloti 11 estaba previsto. Sorprendentemente, SMc01003 utiliza DAG como sustrato la conversión a monoacilglicerol y, finalmente, glicerol y ácidos grasos libres 11. Por lo tanto, es una lipasa SMc01003 DAG (DGLA).
A pesar de que existe una serie de algoritmos de predicción del potencial (fosfo) 12,13 lipasas, su función precisa y papel fisiológico por lo general no se conoce. Aquí describimos un protocolo, para clonar y sobreexpresan lipasas (fosfo) predichos o potenciales. Este manuscrito se explica cómo los ensayos enzimáticos pueden ser desarrollados y optimizados para la lipasa sobreexpresa (fosfo) mediante el uso de sustratos cromogénicos artificiales. Proporcionamos ejemplos de cómo en un ensayo enzimático optimizado el (fosfo) sustrato de la lipasa real puede ser encontrado y cómo estos hallazgos podrían enriquecer nuestra comprensión de la fisiología microbiana.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante los últimos 20 años, los genomas de muchos organismos se han secuenciado y aunque una gran cantidad de datos de secuencia del genoma se ha generado, la interpretación funcional es la zaga, y por consiguiente, dificulta nuestra comprensión de la función del genoma. las funciones de genes en los genomas son a menudo asignados basándose en la similitud de los genes de función o la aparición de motivos conservados conocido. Sin embargo, la función exacta de un gen dado es a menudo no se conoce. Especialment…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por becas de Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología-México (CONACyT-México) (82614, 153998, 253549 y 178359 de Investigación Científica Básica, así como 118 en Investigación en Fronteras de la Ciencia) y de la Dirección General de Asuntos de Personal Académico-Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM-DGAPA; PAPIIT IN202616, IN203612).
Materials
| Chloroform | JT Baker | 9180-03 | TLC analysis & Lipid extraction |
| Methanol | JT Baker | 9070-03 | TLC analysis & Lipid extraction |
| Acetic Acid | JT Baker | 9507-05 | TLC analysis & Lipid extraction |
| Hexanes | JT Baker | 9309-02 | TLC analysis & Lipid extraction |
| Diethylether | Sigma | 32203 | Enzymatic assays |
| bidistilled water | ANY | NA | Enzymatic assays |
| Tris Base | Sigma | T-1503 | Enzymatic assays |
| HCl | Baker | 9535-02 | Enzymatic assays |
| NaCl | Baker | 3624-01 | Enzymatic assays |
| Triton X-100 | Sigma | X-100 | Enzymatic assays |
| LB broth | ANY | NA | Bacterial growth, 10g tryptone + 5g yeast extract + 10g NaCl per liter of bidistilled water |
| tryptone | Becton Dickinson and Company | 211705 | Bacterial growth |
| yeast extract | Becton Dickinson and Company | 212750 | Bacterial growth |
| TY broth | ANY | NA | Bacterial growth, 8g tryptone + 3g yeast extract + 66mg CaCl2 2 H20 per liter of bidistilled water |
| CaCl2 2 H2O | Baker | 1332-01 | Enzymatic assays |
| isopropyl-β-D-thiogalactoside (IPTG) | Invitrogen | 15529-019 | Bacterial growth |
| Diethanolamine | Sigma | D-8885 | Enzymatic assays |
| MnCl2 | Sigma | 221279 | Enzymatic assays |
| Phospholipase A2 snake venom | Sigma | P0790 | Enzymatic assays |
| Phospholipase C Clostridium perfingrens | Sigma | P7633 | Enzymatic assays |
| Bis-p-nitrophenyl phosphate | Sigma | 07422AH | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl stearate | Sigma | N3627 | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl dodecanoate | Sigma | 61716 | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl decanoate | Sigma | N0252 | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl palmitate | Sigma | N2752 | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl butyrate | Sigma | N9876 | Enzymatic assays |
| p-nitrophenyl octanoate | Sigma | 21742 | Enzymatic assays |
| Acetic Acid, sodium salt [1-14C] | Perkin Elmer | NEC084 | Bacterial growth |
| dimethylsulfoxide (DMSO) | JT Baker | 9224-01 | Enzymatic assays |
| Aluminium HPTLC silica gel 60 plates. Silica gel HPTLC plates size 20 x 20 cm, 25 sheets. | Merck | 105547 | TLC analysis & Lipid extraction |
| Spectrometer UV/VIS Lambda 35 | Perkin Elmer | NA | Enzymatic assays |
| Storm 820 Phosphorimager | Molecular Dynamics | NA | Photostimulable Luminescence scanner |
| Multipurpose Scintillation Counter | Beckman Coulter | NA | Radioactivity Quantification |
| French Pressure Cell | ThermoSpectronic | NA | Breakage of cells |
| chromatography paper 3MM Chr | Whatman | 3030917 | TLC analysis |
| Sinorhizobium meliloti 1021our | reference 34 | studied strain | |
| Escherichia coli BL21 (DE3) pLysS Competent cells | Novagen | 69451 | protein expression strain |
| pET9a vector | Novagen | 69431 | protein expression vector |
| pET17b vector | Novagen | 69663 | protein expression vector |
| sterile polystyrene round-bottom tube (14 ml) Falcon | Becton Dickinson | 352057 | radiolabeling of bacterial cultures |
| polypropylene microcentrifuge tubes (1.5 ml) | Eppendorf | 30125.15 | Enzymatic assays |
| 1,2-dipalmitoyl-sn-glycerol | Sigma | D9135 | lipid standard |
| L-α-phosphatidylcholine, dipalmitoyl | Sigma | P6267 | lipid standard |
| DL-α-monopalmitin | Sigma | M1640 | lipid standard |
| palmitic acid | Sigma | P0500 | lipid standard |
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