Estrazione di caffeina, l'attività enzimatica e l'espressione genica della sintasi di caffeina da sospensioni di cellule vegetali
Summary
Questo protocollo descrive una metodologia efficace per l’estrazione e la quantificazione di caffeina in sospensioni cellulari di L. c. arabica e un processo sperimentale per valutare l’attività enzimatica della sintasi di caffeina con il livello di espressione il gene che codifica per questo enzima.
Abstract
(1,3,7-trimetilxantina) la caffeina è un alcaloide della purina presente nelle popolari bevande quali caffè e tè. Questo metabolita secondario è considerato come una difesa chimica perché ha attività antimicrobica ed è considerato un insetticida naturale. La caffeina può anche produrre effetti negativi allelopatiche che impediscono la crescita di piante circostanti. Inoltre, persone in tutto il mondo consumano caffeina per i suoi effetti analgesici e stimolatori. A causa di interesse per le applicazioni tecnologiche di caffeina, ricerca sulla via biosintetica di questo composto è cresciuta. Questi studi si sono concentrati principalmente sulla comprensione dei meccanismi biochimici e molecolari che regolano la biosintesi di caffeina. Coltura in vitro del tessuto è diventato un sistema utile per lo studio di questa via biosintetica. Questo articolo descrive un protocollo dettagliato per la quantificazione di caffeina e per misurare i livelli di trascrizione del gene (CCS1) codifica caffeina sintasi (CS) in sospensioni di cellule di c. arabica L., come pure la sua attività.
Introduction
La caffeina è un metabolita secondario che è biosynthesized da piante del genere Coffea1. Questo alcaloide appartiene alla famiglia delle metilxantine ed è considerato come una difesa di impianto chimico perché può agire contro gli effetti contrari di agenti patogeni ed erbivori2,3. Inoltre, questo metabolita è responsabile per le proprietà stimolanti della bevanda caffè, che è comunemente consumato in tutto il mondo4,5. Grazie alle sue proprietà, diversi gruppi di ricerca sono interessati a studiare la via biosintetica e catabolismo di caffeina6,7. Attualmente, colture di vegetali in vitro cellule/tessuti servono come un’alternativa per la valutazione di accumulo di caffeina sotto varie strategie biotici e abiotici8,9.
Biosintesi di caffeina coinvolge il rilascio idrolitico di 7-methylxanthine dai nucleosidici ribosio corrispondente seguito da ordinato N-iperomocisteinemici nelle posizioni 3 e 1. Una specifico S– adenosil metionina (SAM)-dipendente N-metiltransferasi (NMT) catalizza la metilazione in posizione 7, considerando che la teobromina sintetasi (TS) e CS sono coinvolti in 3 e 1 iperomocisteinemici rispettivamente, producendo teobromina e caffeina. Lo studio dei geni che codificano distinti NMTs ha permesso la comprensione del meccanismo che regola la caffeina produzione10,11. CS, che ha attività di N –metiltransferasi, catalizza gli ultimi due passaggi della via biosintetica di caffeina11. Nei semenzali di pianta del caffè, ha dimostrato che la radiazione luminosa può aumentare attività di CS, che si traduce in un aumento della biosintesi di caffeina. Recentemente, abbiamo dimostrato che il mantenimento delle sospensioni di cellule di c. arabica L. sotto irradiazione di luce è la condizione ottima per valutare gli effetti che producono fattori di stress abiotici che influenzano la via biosintetica di caffeina8. Le informazioni ottenute in questi studi possono avere applicazioni in biologia di ingegneria e sistemi metabolica per massimizzare lo studio della via biosintetica caffeina in tali sistemi in vitro .
Considerati i vantaggi di ottenere un modello adatto per lo studio della biosintesi di caffeina, abbiamo ottimizzato le condizioni di estrazione di caffeina su sospensioni di cellule di c. arabica L. È stato anche possibile sviluppare un protocollo utile per studiare l’attività enzimatica, nonché passaggi metodologici per valutare il livello delle trascrizioni del gene di Coffea caffeina sintasi 1 (CCS1) codifica per questo enzima. Qui, segnaliamo un protocollo per estrarre e quantificare la caffeina in sospensioni di cellule di c. arabica da cromatografia di strato sottile e densitometria (TLC-densitometria).
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presentiamo qui le condizioni ottimali per la valutazione del contenuto di caffeina, livelli di attività e trascrizione di CS in un in vitro pianta coltura tissutale, quali sospensioni di cellule di c. arabica. I rapporti precedenti hanno confermato che le celle mantenendo sotto irradiazione di luce e in presenza di teobromina nel terreno di coltura sono parametri adatti per aumentare il livello di caffeina, che permette di valutare i metodi di separazione di caffeina mediante cromatografia liquida …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il lavoro del nostro laboratorio è stato finanziato da una sovvenzione del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT 219893) a SMTHS. Questa ricerca è stata sostenuta anche da una borsa di studio concessa a RJPK (No. 37938) da CONACyT e il Sistema Nacional de Investigadores (4422). Gli autori ringraziano CIATEJ per l’uso dei suoi impianti durante la scrittura di questo manoscritto. Un ringraziamento speciale è estesi a Dr. Víctor Manuel González Mendoza per tutti i consigli nella sezione di biologia molecolare e Valentín Mendoza Rodríguez, IFC, UNAM per le strutture durante le riprese di questo articolo.
Materials
| Murashige & Skoog Basal salt mixture | PhytoTechnology Laboratories | M524 | Packge Size: 50 L Reagent (mg/L) Ammonium Nitrate (1650) Boric acid (6.2) Calcium chloride, anhydrous (322.2) Cobalt Chloride•H2O (0.025) Cupric Sulfate•5H2O (0.025) Na2EDTA•2H2O (37.26) Ferrous Sulfate•7H2O (27.8) Magnesium Sulfate, Anhydrous (180.7) Manganese Sulfate•H2O (16.9) Molybdic Acid (Sodium Salt)• 2H2O (0.25) Potassium Iodide (0.83) Potassium Nitrate (1900) Potassium Phosphate, Monobasic (170) Zinc Sulfate•7H2O (8.6) Supplemented with myo-inositol (100) thiamine (10) cysteine (25) sucrose (30000) 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (3) 6-benzylamine purine (1) |
| Caffeine | SIGMA | C0750-5G | STANDARD-5g |
| Theobromine | SIGMA | T4500 | 20 g |
| CAMAG TLC Scanner-4 | CAMAG | 27.62 | |
| WinCATS Planar Chromatography Manager software | CAMAG | 1.4.10 | Software |
| Isoamyl alcohol (24:1) | SIGMA | C-0549 | 500 mL |
| Cyclohexane | JALMEX | C4375-13 | 1 L |
| Acetone | J.T. BAKER | 900643 | 4 L |
| Methanol | J.T. BAKER | 9093-03 | 4 L |
| Chloroform | JALMEX | C-4425-15 | 3.5 L |
| TLC silica gel 60 F254 | Merck | 1.05554.0001 | TLC plate |
| β-mercaptoethanol | M6250 | SIGMA | 100 mL |
| (+)-sodium L- ascorbate | A4034 | SIGMA | 100 g |
| Trizma base | SIGMA | T6066 | 1 Kg |
| Hydrochloric acid 36.5-38% | J.T. Baker | 9535-05 | 2.5 L |
| Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo scientific | 232227 | Kit |
| Methyl [3H]-S-adenosyl methionine | Perkin Elmer | NET155 | Specific activity of 15 Ci/mmol |
| Liquid scintillation vials | SIGMA | Z253081 | |
| Thermostatic bath/circulator | Cole Parmer | 60714 | |
| Micro centrifugue tube | Eppendorf | Tube of 1.5 mL | |
| Cryogenic vials | Heathrow Scientific | HS23202A | 2 mL |
| Centrifuge 5804 | Eppendorf | 5804 000925 | |
| Vortex | Thermolyne | LR 5947 | |
| Porcelain mortar | Fisherbrand | FB961B | |
| Filter paper | Whatman | Z274844 | Porosity medium |
| Picofuge | Stratagene | 400550 | 2000 x g |
| Analytical balance | AND | HR-120 | Model HR-120 |
| Scintillation counter | Beckman Coulter | 6500 | |
| Gel photodocumentation system | Bio-Rad | Chemic XRS | Model Chemic XRS |
| Compact UV lamp | UVP | 95002112 | UVGL-25 |
| Scienceware HDPE Buchner funnel | SIGMA | 2419907 | Type 37600 mixer |
| TRIzol reagent | Thermo scientific | 15596-018 | 200 mL |
| ReverdAid Reverse transcriptase | Thermo scientific | #EP0441 | 10000 U |
| Oligo (dT)18 primer | Thermo scientific | #S0131 | 100 µM |
| DNase I, RNase-free | Thermo scientific | #EN0525 | 1000 U |
| Magnesium chloride | Thermo scientific | EN0525 | 1.25 mL |
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Thermo scientific | EN0525 | 1 mL |
| dNTP mix | Thermo scientific | R0191 | R0191 |
| SYBR Green qPCR Master Mix (2X) | Thermo scientific | K0251 | For 200 reactions of 25 µL |
| PikoReal | Thermo scientific | 2.2 | Software |
| Phenol, pH 8.0, equilibrated, Molecular Biology Grade, Ultrapure | USB | J75829 | 100 mL |
| Isopropyl alcohol | Karal | 2040 | 1 L |
| Ethyl alcohol | SIGMA | 64175 | 1 L |
| Diethyl pyrocarbonate | SIGMA | D5758 | 100 mL |
| Lab Rotator | LW Scientific | Mod. LW210 |
References
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