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L'obiettivo è frazionare e isolare piccole molecole bioattive, peptidi da un complesso estratto vegetale e proteine da microbi patogeni utilizzando il metodo di messa a fuoco isoelettrica a fase liquida (IEF). Inoltre, sono state identificate le molecole separate e la loro bioattività è stata confermata.
I prodotti naturali derivati da piante e microbi sono una ricca fonte di molecole bioattive. Prima del loro utilizzo, le molecole attive da estratti complessi devono essere purificate per applicazioni a valle. Ci sono vari metodi cromatografici disponibili per questo scopo, ma non tutti i laboratori possono permettersi metodi ad alte prestazioni e l'isolamento da campioni biologici complessi può essere difficile. Qui dimostriamo che la messa a fuoco isoelettrica in fase liquida preparata (IEF) può separare le molecole, tra cui piccole molecole e peptidi da complessi estratti vegetali, in base ai loro punti isoelettrici (pI). Abbiamo usato il metodo per la frazionamento e la caratterizzazione complesse dei campioni biologici. Come prova di concetto, abbiamo frazionato un estratto di pianta di Gymnema sylvestre, isolando una famiglia di salonina terpenoide piccole molecole e un peptide. Abbiamo anche dimostrato un'efficace separazione delle proteine microbiche usando il fungo Candida albicans come sistema modello.
La purificazione delle biomolecole da complessi campioni biologici è un passo essenziale e spesso difficile negli esperimenti biologici1. La messa a fuoco isoelettrica (IEF) è adatta per la separazione ad alta risoluzione di biomolecole complesse in cui gli amplificatori portante viaggiano secondo la loro carica e stabiliscono il gradiente di pH in un campo elettrico3. Il primo amplificatore commerciale per IEF è stato sviluppato da Olof Vesterberg nel 1964 e brevettato4,5. Gli ampifiti portatrici sono molecole di acido oligo-amino-amino-carboxylicia alatoriche a varia lunghezza e ramificazione6. Successivamente, Vesterberg e altri migliorarono gli amplificatori del vettore per il loro uso espanso nel separare le biomolecole6,7.
I metodi per separare le biomolecole includono l'elettroforesi gel agarosa e poliacrilamina, l'elettroforesi gel bidimensionale (2-DE), la messa a fuoco isoelettrica, l'elettroforesi capillare, l'isotachophoresi e altre tecniche cromografiche (ad esempio, TLC, FPLC, HPLC)2. La IEF in fase liquida eseguita in uno strumento chiamato "Rotofor" è stata inventata da Milan Bier8. Fu pioniere nel concetto e nella progettazione di questo strumento e contribuì ampiamente alla teoria della migrazione elettroforetica. Il suo team ha anche sviluppato un modello matematico del processo di separazione elettroforetica per simulazioni al computer9.
L'apparato IEF a fase liquida è una cella cilindrica a rotazione orizzontale costituita da un nucleo di nylon diviso in 20 compartimenti porosi e un'asta di ceramica di raffreddamento ad acqua circolante. Le camere porose permettono alle molecole di migrare attraverso la fase acquosa tra gli elettrodi e permettono la raccolta di campioni purificati sotto vuoto in frazioni. Questo sistema di purificazione può fornire fino a 1000 volte la purificazione di una molecola specifica in <4 ore. Una caratteristica preziosa di questo strumento è che può essere applicato come primo passo per la purificazione da una miscela complessa o come passo finale per raggiungere la purezza10. Se la molecola di interesse è una proteina, un altro vantaggio è che la sua conformazione nativa sarà mantenuta durante la separazione.
L'uso di IEF a fase liquida è stato ampiamente segnalato per proteine, enzimi e purificazione degli anticorpi6,10,11,12,,13,14. Qui descriviamo l'uso di questo approccio per separare e purificare piccole molecole e peptidi dalla pianta medicinale Gymnema sylvestre. Questo protocollo aiuterà i ricercatori a concentrato e a purificare le piccole molecole attive da un estratto di pianta per applicazioni a valle a basso costo. Inoltre, dimostriamo anche che l'arricchimento delle proteine da un complesso estratto di proteine da Candida albicans fungo15 in questo sistema basato su IEF come secondo esempio.
1. Configurazione e pre-esecuzione dell'unità IEF standard in fase liquida
2. Separazione e purificazione di piccole molecole e peptidi dall'estratto di Gymnema sylvestre
3. Separazione e purificazione delle proteine dai C. albicans
4. Bioattività di piccole molecole purificate dall'estratto vegetale Gymnema sylvestre
Separazione e purificazione di piccole molecole e peptidi dall'estratto vegetale di Gymnema sylvestre
Utilizzando il metodo iEF preparativo in fase liquida, abbiamo frazionato estratti vegetali medicinali e proteine della superficie cellulare da un fungo patogeno umano, C. albicans. Uno schema di questi protocolli di frazionamento è illustrato nella Figura 1.
Da 20 frazioni di G. sylvestre estratto ottenuto da Liquid-phase IEF, le molecole di colore scuro (saponine terpenoide) sono state trovate migrano e sono arricchite all'estremità dell'anodo (pH 2-3) e le frazioni chiare giallo chiaro sono state osservate all'estremità catodica(pH8-9) ( Figura 2 ). Le aliquote (20- L) di ogni frazione (1-20) sono state risolte il 15% di SDS-PAGE dopo aver ridotto e bollito i campioni. Un gel Coomassie dalle macchie blu mostra la banda polipeptide diffusa di circa 5 kDa che è arricchita in frazioni 16-19 (Figura 3). È stato riferito che la pianta di G. sylvestre contiene un 35 aminoacido gurmarin polipeptide di base con il peso molecolare previsto di 4,209 Da20. Batteri, piante e animali contengono peptidi; molti di essi sono circolari (nodi) e stabili con un'ampia gamma di attività biologiche come le proprietà insetticide e antimicrobiche21,22.
Attività biologica di acidi gymnemici separati
La pianta di G. sylvestre contiene anche acidi gymnemici (saponine terpenoidi) come principali costituenti16,23,24. Come previsto, queste piccole molecole nella frazione 1 e nelle successive frazioni non sono state rilevate da SDS-PAGE e Coomassie colorazione (Figura 3) poiché non sono-proteinaceo. Tuttavia, queste piccole molecole possono essere separate da TLC e rilevate sotto la luce UV(Figura 4A, corsia F1). La frazione 10 non conteneva una quantità rilevabile di queste piccole molecole sul TLC, suggerendo che la maggior parte delle piccole molecole organiche sono state arricchite in frazioni 1-3. Le molecole di acidi gymnemici (G) hanno dimostrato di inibire la transizione C. albicans lievito-ipha16,25. Abbiamo analizzato tutte le 20 frazioni raccolte in questo studio per la loro attività inibitoria contro la conversione da lievito a ipfa C. albicans e la crescita dell'hyfalo16. I risultati sono illustrati nella figura 4B,4C. L'attività più alta si osserva nella frazione 1, che concorda con i risultati del TLC in cui si possono vedere diversi punti. Isomeri di acidi gymnemici esistono e tutti hanno attività biologiche simili10. Questi isomeri sono stati separati nella frazione 1-3 e mostrano l'inibizione della crescita isale di C. albicans (Figura 4A,4C, frazione 1). Il grado di inibizione dell'hyphal è stato gradualmente diminuito man mano che va da 1 a 10. Poca o nessuna attività è stata ottenuta in frazioni 10 e superiori.
Separazione delle proteine della superficie cellulare da funghi patogeni, C. albicans
I risultati della frazione di IEF in fase liquida delle proteine di superficie delle cellule C. albicans sono riportati nella Figura 5. Queste proteine della superficie cellulare svolgono un ruolo importante in C. albicans adesione e patogenesi26. Sono state osservate diverse proteine arricchite (frecce) in diverse frazioni. Ciò può consentire l'identificazione delle loro reazioni immunologiche con il siero umano infetto da Candida e/o la loro identificazione mediante spettrometria di massa. Allo stesso modo, le proteine di altre frazioni cellulari (ad esempio, il citoplasma e la parete cellulare) possono essere frazionate utilizzando questo metodo IEF. La purificazione basata sull'IEF a fase liquida consentirà l'identificazione di proteine a bassa abbondanza da complessi campioni biologici, se abbinati all'analisi della spettrometria di massa.
Figura 1: Diagramma di flusso che mostra il flusso di lavoro sperimentale. Sono raffigurate le procedure di frazionamento IEF in fase liquida e i successivi saggi a valle. I campioni includono Estratto di foglia di Gymnema sylvestre (campione 1) e Candida albicans proteine di lievito non glucano (campione 2). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Impostazione dell'apparato IEF in fase liquida e frazionamento dell'estratto dell'impianto G. sylvestre. (A) Durante la corsa, (B) durante la raccolta delle frazioni, (C) dopo la raccolta delle frazioni e (D) le parti dell'apparato IEF in fase liquida, 1) le membrane di scambio ionica, 2) la camera di messa a fuoco e il nucleo della membrana, 3) l'assemblaggio dell'elettrodi (negativo), 4) l'assemblaggio dell'elettrodi (positivo). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Separazioni SDS-PAGE delle frazioni di estratto di pianta focalizzate iEF. L- scala, PC- Controllo positivo (peptide), 0 - campione di ingresso, 1-20 frazioni separate. SDS-PAGE (15% gel di risoluzione) è stato colorato da Coomassie tintura blu per visualizzare i peptidi risolti (5 kDa) dalle frazioni 1-20. Le frazioni 1-3 contengono piccole molecole (la frazione 1 ha un colore più scuro che indica composti arricchiti) che non possono essere macchiate/rilevate da Coomassie blue dye. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Analisi delle piccole molecole frazionate da IEF da parte del TLC e determinazione della bioattività nei confronti di C. albicans. (A) Mostra l'analisi TLC di piccole molecole da #1 e #10 di frazione. La piastra di gel di silice attivata è stata utilizzata per individuare 5 dollari di campioni e correva con toluene: cloroformio: solvente di metanolo (rapporto 5:8:3) fino a quando il fronte del solvente non ha raggiunto il margine. Composti separati da TLC sono stati rilevati sotto una luce UV a epifluorescenza (310 nm). (B) Indica l'inibizione della percentuale di conversione da lievito a ipha di C. albicans mediante frazioni diverse. (C) Dimostra la morfologia cellulare di C. albicans in condizioni di induzione di ipfa. La #1 frazione mostra il massimo (98%) inibizione della conversione tra lievito e ipha. Altre frazioni e controlli non mostrano alcuna inibizione della crescita isatale di C. albicans dopo 12 ore di incubazione a 37 gradi centigradi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: SDS-PAGE analisi delle proteine della superficie cellulare C. albicans (non glucano attaccate). L- scala, 0 - campione di input, 1-18 frazioni raccolte dopo IEF in una cella IEF di fase liquida standard utilizzando un intervallo ristretto (pH 5-8) ampholyte. L'immagine mostra SDS-PAGE (12,5%) proteine risolte dopo la colorazione con Colorante blu Coomassie. Diverse proteine sono state arricchite in alcune frazioni (frecce). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Le piccole molecole provenienti da fonti di prodotti naturali (ad esempio, piante) includono metaboliti secondari complessi che sono altamente diversificati nella struttura chimica. Si ritiene che siano coinvolti nei meccanismi di difesa delle piante. Inoltre, i polipeptidi sono presenti anche nei tessuti vegetali22. Questi piccoli molecole di prodotto naturale sono ricche fonti di molecole di prova per la scoperta e lo sviluppo di farmaci. Tuttavia, i metodi difficili e noiosi necessari per il loro isolamento e purificazione ne limitano l'uso per applicazioni terapeutiche. L'approccio IEF a fase liquida utilizzato in questa relazione evidenzia la capacità di separare queste piccole molecole e polipeptidi senza compromettere le loro bioattività.
Questo metodo basato su IEF offre diversi vantaggi nel separare le molecole biologiche, tra cui la concentrazione di proteine purificate da una miscela complessa, il mantenimento della conformazione nativa durante e dopo la loro messa a fuoco e la raccolta di campioni come singole frazioni purificate senza contaminazione incrociata. Se necessario, i campioni possono essere concentrati nuovamente con una gamma di pH stretta per purificare le isoforme proteiche. Dal momento che è disponibile una cella di messa a fuoco IEF in miniatura (15 mL), può essere utilizzata anche per piccoli volumi di campioni. La nuova scoperta di questa relazione è che piccole molecole organiche e peptidi possono essere separati da un complesso estratto vegetale. Anche se è difficile concordare sul fatto che piccole molecole possono essere separate da estratti di prodotto naturali da IEF, è plausibile per quei composti che sono amphoteric. Gli acidi gymnemici che sono stati separati dal peptide gurmarin nell'estratto di G. sylvestre sembrano essere amphoteric in quanto contengono un gruppo di acido carboxilico o si comportano così almeno in presenza dell'ampholyte utilizzato. Poiché i glicosides sono molecole naturali bioattive simili agli acidi gymnemici, il metodo IEF può essere utilizzato per separarli da fonti naturali complesse. Allo stesso modo, i peptidi dei prodotti naturali possono anche essere isolati utilizzando questo approccio IEF in fase liquida.
Alcune delle limitazioni di questo approccio sono che non tutte le piccole molecole possono essere frazionate con il metodo IEF in quanto devono essere almeno solubili in acqua e debolmente umide. L'estratto utilizzato qui è stato preparato da un 50% di estrazione di metanolo di materiale vegetale essiccato, ma è solubile in acqua. L'uso del metodo IEF per composti solubili e amphoterici deve essere visto come alcuni dei solventi organici sono incompatibili con i componenti dello strumento IEF in fase liquida. La tendenza delle proteine a precipitare nei loro punti isoelettrici (pI) in soluzioni a bassa resistenza ionica è ben nota. Tuttavia, in un sistema IEF rotante, la precipitazione delle proteine si riduce man mano che le proteine mirate rimangono in circolazione al loro punto di pI.
Se si utilizza un'alta concentrazione di proteine in questa separazione IEF, può verificarsi precipitazioni. Per ridurre al minimo le precipitazioni proteiche e migliorare la messa a fuoco delle proteine, l'urea può essere utilizzato fino a 3-5 M. Detergenti nonionic come CHAPS, digitonin e bassa concentrazione di detergenti (0,1-1%) può essere utilizzato anche per ridurre l'aggregazione proteica durante l'IEF. Tuttavia, urea e detergenti devono essere rimossi prima di analizzare le proteine per la loro attività e, in alcuni casi, questi agenti possono influenzare le funzioni proteiche. Alcuni passaggi critici da considerare durante un'esecuzione IEF in fase liquida includono il caricamento della cella di messa a fuoco IEF senza bolle d'aria, la sostituzione delle membrane di scambio ioleose se sono state danneggiate e la sostituzione dei pulsanti di sfiato dopo un certo numero di usi ripetuti.
In conclusione, utilizzando il metodo IEF di fase liquida, abbiamo dimostrato la separazione di acidi ginterra bioattivi e polipeptide gurmarin dall'estratto di foglia G. sylvestre. Inoltre, l'IEF a fase liquida può essere utile per arricchire le proteine selettive dai complessi estratti grezzi di microbi patogeni.
Gli autori vorrebbero dichiarare interessi finanziari concorrenti.
Siamo grati per le fonti di finanziamento della Divisionof Biology e Johnson Cancer Research Center per i premi BRIEF e IRA, rispettivamente a GV. Ringraziamo anche il premio post-dottorato K-INBRE al camper. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dall'Institutional Development Award (IDeA) dell'Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali degli Istituti Nazionali di Sanità con il numero di sovvenzione P20 GM103418. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali dell'Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali o degli Istituti Nazionali di Sanità. Ringraziamo i revisori anonimi per i loro commenti utili.
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 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
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