Method Article
El objetivo es fraccionar y aislar moléculas pequeñas bioactivas, péptidos de un extracto de planta complejo y proteínas de microbios patógenos mediante el empleo de un método de enfoque isoeléctrico de fase líquida (IEF). Además, se identificaron las moléculas separadas y se confirmó su bioactividad.
Los productos naturales derivados de plantas y microbios son una rica fuente de moléculas bioactivas. Antes de su uso, las moléculas activas de extractos complejos deben purificarse para aplicaciones posteriores. Hay varios métodos cromatográficos disponibles para este propósito, pero no todos los laboratorios pueden permitirse métodos de alto rendimiento y el aislamiento de muestras biológicas complejas puede ser difícil. Aquí demostramos que el enfoque isoeléctrico de fase líquida preparatoria (IEF) puede separar moléculas, incluyendo moléculas pequeñas y péptidos de extractos de plantas complejas, basados en sus puntos isoeléctricos (pI). Hemos utilizado el método para la fraccionamiento y caracterización de muestras biológicas complejas. Como prueba de concepto, fraccionamos un extracto de planta de Gymnema sylvestre, aislando una familia de saponina terpenoides pequeñas moléculas y un péptido. También demostramos una separación eficaz de las proteínas microbianas utilizando el hongo Candida albicans como sistema modelo.
La purificación de biomoléculas a partir de muestras biológicas complejas es un paso esencial y a menudo difícil en los experimentos biológicos1. El enfoque isoeléctrico (IEF) es adecuado para la separación de alta resolución de biomoléculas complejas donde los anfieles portadores viajan de acuerdo con su carga y establecen el gradiente de pH en un campo eléctrico3. El primer ampholyte de soporte comercial para IEF fue desarrollado por Olof Vesterberg en 1964 y patentado4,5. Los anfólitos portadores son moléculas de ácido oligo-amino oligo-carboxílico alifático de longitud variable y ramificación6. Posteriormente, Vesterberg y otros mejoraron los anfilitos portadores para su uso ampliado en la separación de biomoléculas6,7.
Los métodos para separar las biomoléculas incluyen la electroforesis de gel de agarosa y policrilamida, la electroforesis de gel bidimensional (2-DE), el enfoque isoeléctrico, la electroforesis capilar, la isotachoforesis y otras técnicas cromatográficas (por ejemplo, TLC, FPLC, HPLC)2. IEF de fase líquida interpretado en un instrumento llamado "Rotofor" fue inventado por el Milan Bier8. Fue pionero en el concepto y diseño de este instrumento y contribuyó ampliamente a la teoría de la migración electroforética. Su equipo también desarrolló un modelo matemático de proceso de separación electroforética para simulaciones por ordenador9.
El aparato IEF de fase líquida es una célula cilíndrica giratoria horizontal que consiste en un núcleo de nylon dividido en 20 compartimentos porosos y una varilla de cerámica de enfriamiento de agua circulante. Las cámaras porosas permiten que las moléculas migren a través de la fase acuosa entre los electrodos y permiten la recolección de muestras purificadas al vacío en fracciones. Este sistema de purificación puede proporcionar hasta 1000 veces la purificación de una molécula específica en <4 horas. Una característica valiosa de este instrumento es que se puede aplicar como un primer paso para la purificación de una mezcla compleja o como paso final para lograr la pureza10. Si la molécula de interés es una proteína, otra ventaja es que su conformación nativa se mantendrá durante la separación.
El uso de IEF de fase líquida se ha notificado ampliamente para proteínas, enzimas y purificación de anticuerpos6,10,11,12,13,14. Aquí describimos el uso de este enfoque para separar y purificar pequeñas moléculas y péptidos de la planta medicinal Gymnema sylvestre. Este protocolo ayudará a los investigadores a concentrar y purificar moléculas pequeñas activas de un extracto de planta para aplicaciones posteriores a bajo costo. Además, también demostramos que el enriquecimiento de proteínas de un extracto de proteína complejo del hongo Candida albicans 15 en este sistema basado en IEF como segundo ejemplo.
1. Configuración y prerugiendo de la unidad IEF de fase líquida estándar
2. Separación y purificación de moléculas pequeñas y péptidos del extracto de Gymnema sylvestre
3. Separación y purificación de proteínas de C. albicans
4. Bioactividad de moléculas pequeñas purificadas del extracto de plantas Gymnema sylvestre
Separación y purificación de moléculas pequeñas y péptidos del extracto de la planta Gymnema sylvestre
Utilizando el método IEF de fase líquida preparatoria, fraccionamos extractos de plantas medicinales y proteínas de superficie celular de un hongo patógeno humano, C. albicans. Un esquema de estos protocolos de fraccionamiento se muestra en la Figura 1.
A partir de 20 fracciones de extracto de G. sylvestre obtenidas de IEF de fase líquida, se encontraron las moléculas de color oscuro (saponinas terpenoides) para migrar y enriquecerse en el extremo del ánodo (pH 2-3) y las fracciones claras claras de color amarillo claro en el extremo del cátodo (pH 8-9) (Figura 2). Las alícuotas (20 l) de cada fracción (1-20) se resolvieron en un 15% de SDS-PAGE después de reducir y hervir las muestras. Un gel de coomassie teñido de azul muestra la banda de polipéptido difusa de aproximadamente 5 kDa que se enriquece en fracciones 16-19 (Figura 3). Se ha informado que la planta G. sylvestre contiene un polipéptido básico de 35 aminoácidos gurmarin con el peso molecular previsto de 4,209 Da20. Las bacterias, plantas y animales contienen péptidos; muchos de ellos son circulares (knottinas) y estables con una amplia gama de actividades biológicas como las propiedades insecticidas y antimicrobianas21,,22.
Actividad biológica de ácidos gimnómicos separados
La planta G. sylvestre también contiene ácidos gimnómicos (saponinas terpenoides) como componentes principales16,23,24. Como era de esperar, estas moléculas pequeñas en la fracción 1 y las siguientes fracciones no fueron detectadas por SDS-PAGE y la tinción de Coomassie (Figura 3) ya que no son proteicas. Sin embargo, estas moléculas pequeñas pueden ser separadas por TLC y detectadas bajo luz UV(Figura 4A, carril F1). La Fracción 10 no contenía una cantidad detectable de estas moléculas pequeñas en TLC sugiriendo que la mayoría de las moléculas pequeñas orgánicas se enriquecieron en fracciones 1-3. Se demostró que las moléculas de ácidos gimnómicos (GIA) inhiben la transición de C. albicans de levadura a hifa16,25. Hemos ensayado las 20 fracciones recogidas en este estudio para su actividad inhibitoria contra C. albicans conversión de levadura a hifa y crecimientohifalo 16. Los resultados se muestran en la Figura 4B,4C. La actividad más alta se observa en la fracción 1, que está de acuerdo con los resultados de TLC donde se pueden ver varios puntos. Los isómeros de los ácidos gimnómicos existen y todos tienen actividades biológicas similares10. Estos isómeros se separaron en la fracción 1-3 y muestran inhibición del crecimiento hipphal de C. albicans (Figura 4A,4C, fracción 1). El grado de inhibición hifalal disminuyó gradualmente a medida que pasa de 1 a 10. Se obtuvo poca o ninguna actividad en fracciones 10 o superiores.
Separación de proteínas superficiales celulares del hongo patógeno, C. albicans
Los resultados del fraccionamiento IEF en fase líquida de proteínas superficiales celulares C. albicans se muestran en la Figura 5. Estas proteínas de superficie celular desempeñan un papel importante en la adhesión de C. albicans y la patogénesis26. Se observaron varias proteínas enriquecidas (flechas) en diferentes fracciones. Esto puede permitir la identificación de sus reacciones inmunológicas con el suero humano infectado por Candida y/o su identificación por espectrometría de masas. Del mismo modo, las proteínas de otras fracciones celulares (por ejemplo, citoplasma y pared celular) se pueden fraccionar utilizando este método IEF. La purificación basada en IEF en fase líquida permitirá la identificación de proteínas de baja abundancia a partir de muestras biológicas complejas, cuando se combina con análisis de espectrometría de masas.
Figura 1: Gráfico de flujo que muestra el flujo de trabajo experimental. Se representan procedimientos de fraccionamiento IEF de fase líquida escalonada y ensayos posteriores posteriores. Las muestras incluyen extracto de hoja de Gymnema sylvestre (muestra 1) y Candida albicans proteínas de levadura no glucano (muestra 2). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Configuración del aparato IEF en fase líquida y fraccionamiento del extracto de planta G. sylvestre. (A) Durante la carrera, (B) durante la recolección de fracciones, (C) después de la recolección de fracciones, y (D) piezas de aparato IEF de fase líquida, 1) membranas de intercambio iónico, 2) cámara de enfoque y núcleo de membrana, 3) conjunto de electrodos (negativo), 4) conjunto de electrodos (positivo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Separaciones SDS-PAGE de las fracciones de extracto de plantas enfocadas en IEF. L- escalera, PC- Control positivo (péptido), 0 - muestra de entrada, 1-20 fracciones separadas. SDS-PAGE (15% gel de resolución) fue manchado por el tinte azul Coomassie para visualizar los péptidos resueltos (5 kDa) de las fracciones 1-20. Las fracciones 1-3 contienen moléculas pequeñas (la fracción 1 tiene un color más oscuro que indica compuestos enriquecidos) que no pueden ser manchadas/detectadas por el tinte azul De Coomassie. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Análisis de moléculas pequeñas fraccionadas del IEF por TLC y determinación de la bioactividad contra C. albicans. (A) Muestra el análisis TLC de moléculas pequeñas a partir de #1 de fracción y #10. La placa de gel de sílice activada se utilizó para detectar 5 ml de muestras y corrió con tolueno: cloroformo: disolvente de metanol (5:8:3 relación) hasta que el frente del disolvente alcanzó el margen. Los compuestos separados por TLC se detectaron bajo una luz UV de epifluorescencia (310 nm). (B) Muestra el porcentaje de inhibición de la conversión de levadura a hifa de C. albicans por diferentes fracciones. (C) Demuestra la morfología celular de C. albicans en condiciones de inducción de hifas. Fracción #1 muestra máximo (98%) inhibición de la conversión de levadura a hifa. Otras fracciones y controles no muestran inhibición del crecimiento hipórico de C. albicans después de 12 horas de incubación a 37 oC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Análisis SDS-PAGE de proteínas superficiales celulares C. albicans (no asadas a glucano). Escalera L, 0 - muestra de entrada, 1-18 fracciones recogidas después de IEF en una célula IEF de fase líquida estándar utilizando un ampholyte de rango estrecho (pH 5-8). La imagen muestra SDS-PAGE (12,5%) proteínas resueltas después de la tinción con tinte azul Coomassie. Varias proteínas se enriquecieron en ciertas fracciones (flechas). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Las moléculas pequeñas de fuentes de productos naturales (por ejemplo, plantas) incluyen metabolitos secundarios complejos que son muy diversos en la estructura química. Se cree que están involucrados en los mecanismos de defensa de las plantas. Además, los polipéptidos también están presentes en los tejidos vegetales22. Estas moléculas pequeñas de producto natural son ricas fuentes de moléculas de prueba para el descubrimiento y desarrollo de fármacos. Sin embargo, los métodos difíciles y tediosos requeridos para su aislamiento y purificación limitan su uso para aplicaciones terapéuticas. El enfoque de IEF de fase líquida utilizado en este informe pone de relieve la capacidad de separar estas pequeñas moléculas y polipéptidos sin comprometer sus bioactividades.
Este método basado en IEF ofrece varias ventajas en la separación de moléculas biológicas, incluida la concentración de proteínas purificadas de una mezcla compleja, el mantenimiento de la conformación nativa durante y después de su enfoque, y la recolección de muestras como fracciones purificadas individuales sin contaminación cruzada. Cuando sea necesario, las muestras se pueden volver a enfocar con un rango de pH estrecho para purificar las isoformas proteicas. Dado que una celda de enfoque IEF en miniatura (15 ml) está disponible, también se puede utilizar para volúmenes más pequeños de muestras. El nuevo hallazgo de este informe es que las moléculas pequeñas orgánicas y los péptidos pueden separarse de un extracto de planta compleja. Aunque es difícil estar de acuerdo en que las moléculas pequeñas pueden ser separadas de los extractos de productos naturales por IEF, es plausible para aquellos compuestos que son anfítelos. Los ácidos gimnémicos que se separaron del péptido de gurmarin en el extracto de g. sylvestre parecen ser anfóteros ya que contienen un grupo de ácido carboxílico o se comportan al menos en presencia del anfólito utilizado. Dado que los glucósidos son moléculas naturales bioactivas similares a los ácidos gimnómicos, el método IEF se puede utilizar para separarlos de fuentes naturales complejas. Del mismo modo, los péptidos de productos naturales también pueden aislarse utilizando este enfoque de IEF en fase líquida.
Algunas de las limitaciones de este enfoque son que no todas las moléculas pequeñas pueden ser fraccionadas por el método IEF, ya que deben ser solubles en agua y débilmente anfóteas, al menos. El extracto utilizado aquí fue preparado por una extracción de metanol 50% de material vegetal seco, pero es soluble en agua. El uso del método IEF para compuestos solubles en disolventes y anfíteicos sigue siendo visto como algunos de los disolventes orgánicos son incompatibles con los componentes del instrumento IEF de fase líquida. La tendencia de las proteínas a precipitarse en sus puntos isoeléctricos (pI) en soluciones de baja resistencia iónica es bien conocida. Sin embargo, en un sistema IEF giratorio, la precipitación de proteínas se reduce a medida que las proteínas enfocadas permanecen en circulación en su punto de pI.
Si se utiliza una alta concentración de proteínas en esta separación de IEF, puede producirse precipitación. Para minimizar la precipitación de proteínas y mejorar el enfoque proteico, la urea se puede utilizar hasta 3-5 M. Detergentes no iónicos como CHAPS, digitonina y baja concentración de detergentes (0,1-1%) también se puede utilizar para reducir la agregación de proteínas durante el IEF. Sin embargo, es necesario eliminar la urea y los detergentes antes de analizar las proteínas para su actividad y, en algunos casos, estos agentes pueden afectar a las funciones proteicas. Algunos pasos críticos a tener en cuenta durante una ejecución de IEF en fase líquida incluyen cargar la célula de enfoque IEF sin burbujas de aire, reemplazar las membranas de intercambio iónico si estaban dañadas, y reemplazar los botones de ventilación después de un cierto número de usos repetidos.
En conclusión, utilizando el método IEF de fase líquida, hemos demostrado la separación de ácidos gimnómicos bioactivos y polipéptido de gurmarina del extracto de hoja de G. sylvestre. Además, el IEF de fase líquida puede ser útil para enriquecer proteínas selectivas a partir de los complejos extractos crudos de microbios patógenos.
A los autores les gustaría declarar que no hay intereses financieros competidores.
Estamos agradecidos por las fuentes de financiamiento de la División de Biología y Johnson Cancer Research Center para los premios BRIEF y IRA, respectivamente a GV. También agradecemos el premio postdoctoral K-INBRE a RV. Este trabajo fue apoyado en parte por el Premio de Desarrollo Institucional (IDeA) del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de subvención P20 GM103418. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales o de los Institutos Nacionales de Salud. Agradecemos a los revisores anónimos por sus comentarios útiles.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.45 µm syringe filter | Fisher scientfic | 09-720-004 | |
2-Mercaptoethanol | Sigma | M3148 | |
Ammonium carbonate | Sigma-Aldrich | 207861-500 | |
Bio-Lyte 3/10 Ampholyte | Bio-Rad | 163-1113 | |
Bio-Lyte 5/8 Ampholyte | Bio-Rad | 163-1192 | |
Compact low temperature thermostat | Lauda -Brinkmann | RM 6T | Set water cooling to 4 oC and it can be run even at 0 oC as when it passes through the Rotofor cooling core, the circulating water temperature will be around 5 or more depending on the voltage. |
Coomassie Brilliant Blue R | Sigma-Aldrich | B7920 | |
Dialysis tubing (3,500 MWCO) | Spectrum Spectra/Por | 132112T | |
Gymnema plant leaf extract powder (>25% Gymnemic acids) | Suan Farma, NJ USA | ||
Incubator | Lab companion | SI 300R | |
Microscope | Leica | DM 6B | |
Mini protean electrophoresis | Bio-Rad | ||
pH meter | Mettler Toledo | S20 | Useful to determine the pH of the Rotofor (liquid-phase IEF) fractions |
Rotofor | Bio-Rad | 170-2972 | http://www.bio-rad.com/webroot/web/pdf/lsr/literature/M1702950E.pdf (Rotofor Instruction manual for assembling the unit) |
RPMI-1640 Medium | HyClone | DH30255.01 | |
Sealing tape | Bio-Rad | 170-2960 | Scotch tape may also be used. |
Sorvall legend micro 17 centrifuge | Thermo scientific | 75002432 | |
TPP tissue culture plate -96 well flat bottom | TPP | TP92696 |
Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos
Solicitar permisoThis article has been published
Video Coming Soon
ACERCA DE JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados