Summary

הכנת פטרייתי, צמח חומרי הבהרה מבניים באמצעות NMR של מצב מוצק קיטוב גרעיני דינמי

Published: February 12, 2019
doi:

Summary

פרוטוקול להכנת 13ג,15דוגמאות פטרייתי וצמח התווית על-ידי N רב-ממדי ספקטרוסקופיה NMR של מצב מוצק וחקירות קיטוב גרעיני דינמי (DNP) מוצג.

Abstract

פרוטוקול זה מראה איך בצורה אחידה 13ג, 15התווית על-ידי N חומרים פטרייתי יכול להיות והופק כמה חומרים רכים אלה צריך להיות המשיך NMR של מצב מוצק, רגישות משופרת DNP ניסויים. ההליך דוגמת עיבוד של הצמח ביומסה גם מפורט. שיטה זו מאפשרת את המדידה של סדרת 1D ו- 2D 13C –13C /15N מתאמים ספקטרה, המאפשר הבהרה מבניים ברזולוציה גבוהה של מורכבות biomaterials במצב מקורי, עם ההפרעות מינימלי. האיזוטופ-תיוג יכולים להיבדק על ידי לכימות את עוצמת ב 1 י ספקטרה ואת יעילות העברת קיטוב ב- 2D המתאם ספקטרה. ניתן להעריך את ההצלחה של הכנת הדוגמא קיטוב גרעיני דינמי (DNP) על ידי הגורם שיפור הרגישות. לניסויים נוספים לבחון את ההיבטים המבניים של סוכרים, חלבונים יוביל מודל של הארכיטקטורה תלת מימדי. שיטות אלה ניתן לשנותם ולאחר הותאם לחקור מגוון רחב של חומרים עתירי פחמימות, כולל קירות התא הטבעי של צמחים, פטריות, אצות, חיידקים, וכן מסונתז או תוכנן פחמימות פולימרים ומורכב שלהם עם השני מולקולות.

Introduction

פחמימות תפקיד מרכזי בתהליכים ביולוגיים שונים כגון אחסון אנרגיה, בניין מבניים, ועל זיהוי הסלולר אדהזיה. הם מועשרים בקיר התא, אשר היא מרכיב מהותי צמחים, פטריות, אצות, חיידקים1,2,3. קיר התא מהווה מקור מרכזי הייצור של דלק ביולוגי, biomaterials, כמו גם מטרה מבטיחים טיפולים מיקרוביאלית4,5,6,7,8 , 9.

ההבנה העכשווית של חומרים מורכבים אלה כבר מתקדם באופן משמעותי על ידי עשורים של המאמצים הוקדשו אפיון מבניים בשיטות ארבע הגדולות ביוכימי או גנטי. השיטה הראשונה הגדולות מסתמך על טיפולים רציפים באמצעות כימיקלים קשים או אנזימים כדי לשבור את קירות התא לחלקים שונים, שבעקבותיה באה ההלחנה וניתוח הצמדה של סוכרים כל שבר10. שיטה זו שופך אור על התפלגות התחום של פולימרים, אך הפרשנות עלולה להטעות בשל המאפיינים הכימי והפיזי של מולקולות. לדוגמה, קשה לקבוע אם השבר אלקלי-לחילוץ מקורו מחשבים בודדת של מולקולות פחות מובנים או מולקולות נפרדות עם מסיסות דומות. שנית, חילוץ חלקים או את כל קירות התא ניתן גם למדוד באמצעות פתרון NMR כדי לקבוע את קישורים קוולנטיות, גם כינה crosslinking, בין מולקולות שונות11,12,13, 14,15. בדרך זו, יכול להיות ובחן את מבנה נתונים היסטוריים של עוגנים קוולנטיות, אך מגבלות יכולה להתקיים בשל המסיסות נמוכה של סוכרים, מספר קטן יחסית של אתרים crosslinking הבורות של תופעות שאינן קוולנטיות זה מייצבת אריזה רב-סוכר, כולל שטני של מימן, ואן דר Waals כוח, אינטראקציה אלקטרוסטטית, שזירה פולימר. שלישית, זיקה מחייבת היה נחוש במבחנה באמצעות פוליסכרידים מבודד16,17,18,19, אבל הטיהור הליכים עשוי לשנות באופן משמעותי מבנה ותכונות של מולקולות אלה. שיטה זו נכשלת גם לשכפל את התצהיר מתוחכמים והרכבה של מקרומולקולות לאחר ביוסינטזה. לבסוף, פנוטיפ, מורפולוגיה תאים, תכונות מכניות של מוטציות גנטיות עם ייצור הקלוש של רכיב מסוים דופן התא לשפוך אורות על התפקידים המבניים של סוכרים, אבל הראיות מולקולריות יותר יש צורך לגשר על אלה תצפיות מאקרוסקופית עם הפונקציה שעברו הנדסה לאחור של חלבון machineries20.

התפתחויות אחרונות פיתוח ויישום של רב-ממדי ספקטרוסקופיה NMR של מצב מוצק הציגו הזדמנות ייחודית לפתרון חידות מבניים אלה. ניסויים NMR של מצב מוצק דו-ממדי/תלת-ממדי לאפשר חקירה ברזולוציה גבוהה של הרכב, ארכיטקטורה של חומרים עתירי פחמימות במצב מקורי ללא ההפרעות הגדולות. מבניים מחקרים נערכו בהצלחה על ראשי והן קירות התא משני של צמחים, ביומסה שטופלו catalytically, biofilm חיידקי, הפיגמנט רוחות פטריות ו, לאחרונה על-ידי המחברים, קירות התא שלם בפטריה פתוגניים אספרגילוס fumigatus 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31. ההתפתחות של קיטוב גרעיני דינמי (DNP)32,33,34,35,36,37,38 , 39 , 40 , 41 , 42 מקלה באופן משמעותי על הבהרה מבניים NMR כמו שיפור הרגישות מאת DNP מקצר במידה ניכרת הזמן ניסיוני על biomaterials מורכבים אלה. הפרוטוקול המתואר כאן מפרט את נהלי איזוטופ-תיוג הפטריה fumigatus א והכנת פטרייתי ודוגמאות צמח על אפיון NMR, DNP של מצב מוצק. נהלים תיוג דומים צריך להיות רלוונטי פטריות אחרות שינו בינונית, ההליכים הכנת המדגם צריך להיות בדרך כלל החלים biomaterials עתירי פחמימות אחרות.

Protocol

1. גידול של 13ג’, 15התווית על-ידי N אספרגילוס fumigatus בינוני נוזלי הכנת ללא תווית ו- 13C, מדיום הגידול התווית על-ידי N 15הערה: שניהם דקסטרוז Peptone לחלץ שמרים בינונית (YPD), את שיפור בינונית מזערי43 שימשו לשם קיום תרבות פטרייתי. כל השלבים לאחר autoclaving מבוצעות …

Representative Results

איזוטופ תיוג באופן משמעותי משפר את הרגישות NMR, מאפשרת מדידה של סדרת 2D 13C -13C ו 13C -15N מתאם ספקטרה כדי לנתח את הרכב, לחות, ניידות, אריזה של פולימרים, אשר ניתן לשלב בניית מודל תלת מימדי של דופן התא אדריכלות (איור 1). אם תיוג אחיד מצליחה, ערכה ?…

Discussion

לעומת שיטות ביוכימיות, NMR של מצב מוצק יש יתרונות כמו טכניקה הרסניות ו ברזולוציה גבוהה. NMR גם כמותיים בניתוח ההלחנה, בניגוד לרוב שיטות אנליטיות אחרות, לא צריך אי הוודאויות שהוצגו על ידי המסיסות מוגבל biopolymers. הקמת בפרוטוקול הנוכחי מקלה על מחקרים עתידיים על פחמימות-עשיר biomaterials, פולימרים functionaliz…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע דרך ה-NSF אויה-1833040. נבחרת גבוהה השדה המגנטי מעבדה (NHMFL) נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע דרך DMR-1157490, פלורידה. מערכת MAS-DNP-NHMFL הוא מומן בחלקו על ידי NIH S10 OD018519 ואת ה-NSF צ’ה-1229170.

Materials

Ammonium Molybdate Tetrahydrate Acros Organics 12054-85-2
AMUPol Cortecnet C010P002
Analytical weighing balance Ohaus B730439218 Model PA84C
Bioclave 16 L VWR 470230-598
Biosafety Cabinet Labconco corporation 302319100
Boric acid VWR BDH9222 store at 15-30 °C
Cobalt(II) Chloride Hexahydrate Honeywell|Fluka 60820 ≥98 %
Copper(II) Sulfate Pentahydrate BDH BDH9312 ≥98 %
Corning LSE shaking incubator Thermo Fisher Scientific 7202152
D2O Sigma Aldrich 151882 99.9 atom % D
d6-DMSO Sigma Aldrich 151874 99.9 atom % D
d8-glycerol Sigma Aldrich 447498 ≥99 atom % D
Dialysis tubing 3.2 kDa Sigma Aldrich D2272 132724
Dipotassium Phosphate VWR BDH9266 ≥98 %
Glycerol Sigma Aldrich G5516 ≥99.5 %
Heraus Megafuge 16R Centrifuge Thermo Fischer Scientific 750004271 Maximum RCF 25,830 x g
HR-MAS Disposable Insert Kit Bruker B4493 Kel-F
Iron(II) Sulfate Heptahydrate Alfa Aesar 14498 ≥99+ %
Magnesium Sulfate Heptahydrate VWR 10034998 store at 18-26 °C
Manganese(II) Chloride Tetrahydrate Alfa Aesar 11563 ≥99 %
Monopotassium Phosphate VWR 470302-254 ≥99 %
pH Meter Mettler Toledo B706689216
Tetrasodium Ethylenediaminetetraacetate Acros Organics 13235-36-9 ≥99.5 %
Zinc Sulfate Heptahydrate Alfa Aesar 33399 ≥98 %
12C3, d8-glycerol Cambridge Isotope Laboratory CDLM-8660 12C3, 99.95%; D8, 98%
13C6-glucose Sigma Alrdrich 364606 ≥99 % (CP)
15N-sodium nitrate Sigma Aldrich 364606 ≥98 % 15N, ≥99 (cp)
3.2 mm sapphire NMR rotor Cortecnet B6939
3.2 mm Silicone plug Bruker B7089
4 mm MAS Rotor Kit Bruker H14355 Zirconia

References

  1. Murrey, H. E., Hsieh-Wilson, L. C. The chemical neurobiology of carbohydrates. Chemical Reviews. 108 (5), 1708-1731 (2008).
  2. Latge, J. P. The cell wall: a carbohydrate armour for the fungal cell. Molecular Microbiology. 66 (2), 279-290 (2007).
  3. Cosgrove, D. J. Growth of the plant cell wall. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 6 (11), 850-861 (2005).
  4. Furtado, A., et al. Modifying plants for biofuel and biomaterial production. Plant Biotechnology Journal. 12 (9), 1246-1258 (2014).
  5. Loqué, D., Scheller, H. V., Pauly, M. Engineering of plant cell walls for enhanced biofuel production. Current Opinion in Plant Biology. 25, 151-161 (2015).
  6. Latge, J. P. Aspergillus fumigatus and aspergillosis. Clinical Microbiology Reviews. 12 (2), 310-350 (1999).
  7. Ragauskas, A. J., et al. The path forward for biofuels and biomaterials. Science. 311 (5760), 484-489 (2006).
  8. Service, R. F. Cellulosic ethanol – Biofuel researchers prepare to reap a new harvest. Science. 315 (5818), 1488-1491 (2007).
  9. Somerville, C., Youngs, H., Taylor, C., Davis, S. C., Long, S. P. Feedstocks for Lignocellulosic Biofuels. Science. 329 (5993), 790-792 (2010).
  10. Schiavone, M., et al. A combined chemical and enzymatic method to determine quantitatively the polysaccharide components in the cell wall of yeasts. FEMS Yeast Research. 14 (6), 933-947 (2014).
  11. Cheng, K., Sorek, H., Zimmermann, H., Wemmer, D. E., Pauly, M. Solution-State 2D NMR Spectroscopy of Plant Cell Walls Enabled by a Dimethylsulfoxide-d(6)/1-Ethyl-3-methylimidazolium Acetate Solvent. Analytical Chemistry. 85 (6), 3213-3221 (2013).
  12. Mansfield, S. D., Kim, H., Lu, F. C., Ralph, J. Whole plant cell wall characterization using solution-state 2D NMR. Nature Protocols. 7 (9), 1579-1589 (2012).
  13. Tan, L., et al. An Arabidopsis Cell Wall Proteoglycan Consists of Pectin and Arabinoxylan Covalently Linked to an Arabinogalactan Protein. Plant Cell. 25 (1), 270-287 (2013).
  14. Kollar, R., Petrakova, E., Ashwell, G., Robbins, P. W., Cabib, E. Architecture of the Yeast-Cell Wall – the Linkage between Chitin and Beta(1-3)-Glucan. Journal of Biological Chemistry. 270 (3), 1170-1178 (1995).
  15. Kollar, R., et al. Architecture of the yeast cell wall – beta(1->6)-glucan interconnects mannoprotein, beta(1-3)-glucan, and chitin. Journal of Biological Chemistry. 272 (28), 17762-17775 (1997).
  16. Mccann, M. C., et al. Old and new ways to probe plant cell wall architecture. Canadian Journal of Botany. 73, S103-S113 (1995).
  17. Whitney, S. E. C., Brigham, J. E., Darke, A. H., Reid, J. S. G., Gidley, M. J. In-Vitro Assembly of Cellulose/Xyloglucan Networks – Ultrastructural and Molecular Aspects. The Plant Journal. 8 (4), 491-504 (1995).
  18. Zykwinska, A. W., Ralet, M. C. J., Garnier, C. D., Thibault, J. F. J. Evidence for in vitro binding of pectin side chains to cellulose. Plant Physiology. 139 (1), 397-407 (2005).
  19. Kiemle, S. N., et al. Role of (1,3)(1,4)-beta-Glucan in Cell Walls: Interaction with Cellulose. Biomacromolecules. 15 (5), 1727-1736 (2014).
  20. Pogorelko, G., Lionetti, V., Bellincampi, D., Zabotina, O. Cell wall integrity: targeted post-synthetic modifications to reveal its role in plant growth and defense against pathogens. Plant Signaling & Behavior. 8 (9), e25435 (2013).
  21. Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Cellulose-Pectin Spatial Contacts Are Inherent to Never-Dried Arabidopsis thaliana Primary Cell Walls: Evidence from Solid-State NMR. Plant Physiology. 168 (3), 871-884 (2015).
  22. Wang, T., Salazar, A., Zabotina, O. A., Hong, M. Structure and dynamics of Brachypodium primary cell wall polysaccharides from two-dimensional 13C solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. Biochemistry. 53 (17), 2840-2854 (2014).
  23. Grantham, N. J., et al. An even pattern of xylan substitution is critical for interaction with cellulose in plant cell walls. Nature Plants. 3 (11), 859-865 (2017).
  24. Simmons, T. J., et al. Folding of xylan onto cellulose fibrils in plant cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications. 7, 13902 (2016).
  25. Komatsu, T., Kikuchi, J. Selective Signal Detection in Solid-State NMR Using Rotor-Synchronized Dipolar Dephasing for the Analysis of Hemicellulose in Lignocellulosic Biomass. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (14), 2279-2283 (2013).
  26. Perras, F. A., et al. Atomic-Level Structure Characterization of Biomass Pre- and Post-Lignin Treatment by Dynamic Nuclear Polarization-Enhanced Solid-State NMR. The Journal of Physical Chemistry A. 121 (3), 623-630 (2017).
  27. Chatterjee, S., Prados-Rosales, R., Itin, B., Casadevall, A., Stark, R. E. Solid-state NMR Reveals the Carbon-based Molecular Architecture of Cryptococcus neoformans Fungal Eumelanins in the Cell Wall. Journal of Biological Chemistry. 290 (22), 13779-13790 (2015).
  28. Zhong, J., Frases, S., Wang, H., Casadevall, A., Stark, R. E. Following fungal melanin biosynthesis with solid-state NMR: biopolymer molecular structures and possible connections to cell-wall polysaccharides. Biochemistry. 47 (16), 4701-4710 (2008).
  29. Kang, X., et al. Molecular architecture of fungal cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications. 9 (1), 2747 (2018).
  30. Takahashi, H., et al. Solid-state NMR on bacterial cells: selective cell wall signal enhancement and resolution improvement using dynamic nuclear polarization. Journal of the American Chemical Society. 135 (13), 5105-5110 (2013).
  31. Wang, T., Hong, M. Solid-state NMR investigations of cellulose structure and interactions with matrix polysaccharides in plant primary cell walls. Journal of Experimental Botany. 67, 503-514 (2016).
  32. Mentink-Vigier, F., Akbey, &. #. 2. 2. 0. ;., Oschkinat, H., Vega, S., Feintuch, A. Theoretical aspects of magic angle spinning-dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 258, 102-120 (2015).
  33. Gupta, R., et al. Dynamic nuclear polarization enhanced MAS NMR spectroscopy for structural analysis of HIV-1 protein assemblies. The Journal of Physical Chemistry B. 120 (2), 329-339 (2016).
  34. Takahashi, H., Hediger, S., De Paëpe, G. Matrix-free dynamic nuclear polarization enables solid-state NMR 13 C-13 C correlation spectroscopy of proteins at natural isotopic abundance. Chemical Communications. 49 (82), 9479-9481 (2013).
  35. Ni, Q. Z., et al. High frequency dynamic nuclear polarization. Accounts of Chemical Research. 46 (9), 1933-1941 (2013).
  36. Koers, E. J., et al. NMR-based structural biology enhanced by dynamic nuclear polarization at high magnetic field. Journal of Biomolecular NMR. 60 (2-3), 157-168 (2014).
  37. Saliba, E. P., et al. Electron Decoupling with Dynamic Nuclear Polarization in Rotating Solids. Journal of the American Chemical Society. 139 (18), 6310-6313 (2017).
  38. Mentink-Vigier, F., et al. Efficient cross-effect dynamic nuclear polarization without depolarization in high-resolution MAS NMR. Chemical Science. 8 (12), 8150-8163 (2017).
  39. Smith, A. N., Twahir, U. T., Dubroca, T., Fanucci, G. E., Long, J. R. Molecular Rationale for Improved Dynamic Nuclear Polarization of Biomembranes. The Journal of Physical Chemistry B. 120 (32), 7880-7888 (2016).
  40. Su, Y., Andreas, L., Griffin, R. G. Magic angle spinning NMR of proteins: high-frequency dynamic nuclear polarization and 1H detection. Annual Reviews of Biochemistry. 84, 465-497 (2015).
  41. Hediger, S., Lee, S., Mentink-Vigier, F., Paepe, G. D. MAS-DNP Enhancements: Hyperpolarization, Depolarization, and Absolute Sensitivity. eMagRes. 7, 1-13 (2018).
  42. Ni, Q. Z., et al. In Situ Characterization of Pharmaceutical Formulations by Dynamic Nuclear Polarization Enhanced MAS NMR. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (34), 8132-8141 (2017).
  43. Hill, T. W., Kafer, E. Improved protocols for Aspergillus minimal medium: trace element and minimal medium salt stock solutions. Fungal Genetics Reports. 48 (1), 20-21 (2001).
  44. Rossini, A. J., et al. Dynamic nuclear polarization surface enhanced NMR spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 46 (9), 1942-1951 (2013).
  45. Sauvée, C., et al. Highly efficient, water-soluble polarizing agents for dynamic nuclear polarization at high frequency. Angewandte Chemie International Edition. 125 (41), 11058-11061 (2013).
  46. Phyo, P., et al. Gradients in Wall Mechanics and Polysaccharides along Growing Inflorescence Stems. Plant physiology. 175 (4), 1593-1607 (2017).
  47. White, P. B., Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Water-polysaccharide interactions in the primary cell wall of Arabidopsis thaliana from polarization transfer solid-state NMR. Journal of the American Chemical Society. 136 (29), 10399-10409 (2014).
  48. Jippo, T., Kamo, O., Nagayama, K. Determination of long-range proton-carbon 13 coupling constants with selective two-dimensional INEPT. Journal of Magnetic Resonance. 66 (2), 344-348 (1969).
  49. Morris, G. A. Sensitivity enhancement in nitrogen-15 NMR: polarization transfer using the INEPT pulse sequence. Journal of the American Chemical Society. 102 (1), 428-429 (1980).
  50. Cadars, S., et al. The refocused INADEQUATE MAS NMR experiment in multiple spin-systems: interpreting observed correlation peaks and optimising lineshapes. Journal of Magnetic Resonance. 188 (1), 24-34 (2007).
  51. Lesage, A., Bardet, M., Emsley, L. Through-bond carbon− carbon connectivities in disordered solids by NMR. Journal of the American Chemical Society. 121 (47), 10987-10993 (1999).
  52. Bennett, A. E., et al. Homonuclear radio frequency-driven recoupling in rotating solids. The Journal of Chemical Physics. 108 (22), 9463-9479 (1998).
  53. Lu, X., Guo, C., Hou, G., Polenova, T. Combined zero-quantum and spin-diffusion mixing for efficient homonuclear correlation spectroscopy under fast MAS: broadband recoupling and detection of long-range correlations. Journal of Biomolecular NMR. 61 (1), 7-20 (2015).
  54. Wang, T., Zabotina, O., Hong, M. Pectin-cellulose interactions in the Arabidopsis primary cell wall from two-dimensional magic-angle-spinning solid-state nuclear magnetic resonance. Biochemistry. 51 (49), 9846-9856 (2012).
  55. Wang, T., Yang, H., Kubicki, J. D., Hong, M. Cellulose Structural Polymorphism in Plant Primary Cell Walls Investigated by High-Field 2D Solid-State NMR Spectroscopy and Density Functional Theory Calculations. Biomacromolecules. 17 (6), 2210-2222 (2016).
  56. Kirui, A., et al. Atomic Resolution of Cotton Cellulose Structure Enabled by Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR. Cellulose. , (2019).
  57. Wang, T., et al. Sensitivity-enhanced solid-state NMR detection of expansin’s target in plant cell walls. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (41), 16444-16449 (2013).
  58. Wang, T., Park, Y. B., Cosgrove, D. J., Hong, M. Cellulose-Pectin Spatial Contacts Are Inherent to Never-Dried Arabidopsis thaliana Primary Cell Walls: Evidence from Solid-State NMR. Plant Physiology. 168 (3), 871-884 (2015).
  59. Liao, S. Y., Lee, M., Wang, T., Sergeyev, I. V., Hong, M. Efficient DNP NMR of membrane proteins: sample preparation protocols, sensitivity, and radical location. Journal of Biomolecular NMR. 64 (3), 223-237 (2016).
  60. Kang, X., et al. Lignin-Polysaccharide Interactions in Plant Secondary Cell Walls Revealed by Solid-State NMR. Nature Communications. 10, 347 (2019).
  61. Takahashi, H., et al. Rapid Natural-Abundance 2D 13C-13C Correlation Spectroscopy Using Dynamic Nuclear Polarization Enhanced Solid-State NMR and Matrix-Free Sample Preparation. Angewandte Chemie International Edition. 51 (47), 11766-11769 (2012).

Play Video

Cite This Article
Kirui, A., Dickwella Widanage, M. C., Mentink-Vigier, F., Wang, P., Kang, X., Wang, T. Preparation of Fungal and Plant Materials for Structural Elucidation Using Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR. J. Vis. Exp. (144), e59152, doi:10.3791/59152 (2019).

View Video