MALDI-TOF助力华南农大孙坚团队,细菌耐药性研究取得重要新进展!

2022-05-25

导读
  细菌耐药性的出现严重威胁到全球人类和动物的健康,研究细菌耐药性是微生物研究的重点领域。近年来,基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)已成为微生物鉴定的常规技术,但其在微生物耐药性研究中的应用尚处于起步阶段。替加环素是一种新型四环素类抗生素,被世界卫生组织列为治疗临床多重耐药菌感染极其重要的抗菌药物,被认为是治疗产碳青霉烯酶多重耐药肠杆菌感染的“最后一道防线”。然而,质粒介导的新型高水平替加环素耐药基因Tet(X3/X4)的出现,威胁到替加环素在临床多重耐药菌感染中的疗效,但其潜在机制尚不清楚。使用MALDI-TOF快速地对替加环素耐药基因Tet(X)不同突变体的单加氧产物进行定性分析的方法,大大地拓展了MALDI-TOF在细菌耐药性检测中的应用。


细菌耐药性的出现威胁抗生素的疗效

  近期,华南农业大学兽医学院孙坚教授团队在微生物领域知名刊物《mSystems》上发表题为《Evolutionary Trajectory of the Tet(X) Family: Critical Residue Changes towards High-Level Tigecycline Resistance》的研究成果。该研究探索了导致Tet(X)功能增强的关键氨基酸变化,并据此阐明了Tet(X)的结构特征和进化路径。通过结构域互换和位点定向突变实验,成功识别了5个导致Tet(X)活性增强的残基突变(L282S、A339T、D340N、V350I和K351E)。结构分析表明突变残基不直接参与底物结合或催化,而是通过间接改变构象动力学影响酶的活性。该研究扩展了对Tet(X)同系物的结构特征和功能演变的认识,为后续特异性抑制剂的筛选和新型四环素类抗生素的开发提供了依据。


mSystems,May/June 2021 Volume 6 Issue 3 e00050-21

MALDI-TOF/TOF对不同Tet(X)突变体进行功能验证

  在BL21(DE3)-pET28大肠埃希菌表达系统中引入Tet(X2)、Tet(X4)和3个定点诱变突变体(L282S、A339T-D340N和V350l-K351E)。将体外纯化后的蛋白(酶)依次加入含Mg2+和NADPH的伊拉瓦环素缓冲液中,反应15分钟后,用质谱法检测药物的单加氧产物峰(图1)。取1 μL的上清溶液点到靶板上,待干燥后,覆盖1 μL CHCA( α-氰基-4-羟基肉桂酸)基质溶液,待自然干燥后,将靶板送入质谱分析(岛津AXIMA-Performance)。


图1. AXIMA Performance – MALDI TOF/TOF上机流程图

  结果显示,在反应15分钟后,所有突变体在m/z 574处都出现了额外的峰,与伊拉瓦环素分子量增加16Da后的单加氧产物的分子量相对应(图2)。结合紫外全波长扫描结果,证明了这几个位点的氨基酸变化仅增加酶的活性而未改变Tet(X)的单加氧特性。


图2. 不同Tet(X)突变体的功能验证
(a) Tet(X)降解伊拉瓦环素的模型图 (b)基于MALDI-TOF的单加氧产物的质谱测定

AXIMA Performance – MALDI-TOF/TOF 质谱仪

  AXIMA Performance 作为岛津功能强大的科学研究级MALDI-TOF/TOF仪器,可用于常规分子量检测、微生物的快速鉴定、聚合物分析。还可以多方位的开展高通量蛋白质组学研究,包括多肽、蛋白分子量测定,蛋白鉴定,多肽序列分析,翻译后修饰研究,如磷酸化,糖基化研究等。高通量自动化蛋白鉴定,高分辨双离子门,高能CID技术进行MS/MS,新型曲线场反射器等前沿技术使该仪器成为蛋白质组学研究的有力工具。


图3. 岛津AXIMA-Performance质谱仪

真正的高能MS/MS—实验室参考系的碰撞能量为20keV的CID。
采用革新的离子门技术达到理想的母离子选择分辨率。
出色的灵敏度-无损失技术保证无MS/MS信号丢失。


华南农业大学兽医学院孙坚教授

专家心声

华南农业大学兽医学院孙坚教授在开展细菌耐药性相关的课题研究中,常使用岛津MALDI-TOF质谱仪进行样品检测。孙老师表示,在细菌耐药性研究过程中,岛津公司生产的AXIMA Performance质谱仪能够帮助他们快速地对不同Tet(X)突变体的单加氧产物进行定性分析,该仪器具备操作简单,高通量和准确性高等优点,为该团队的研究提供了有力的帮助,提高了研究效率。

参考文献
1.Cui C-Y, He Q, Jia Q-L, et al. 2021. Evolutionary trajectory of the Tet(X) family: critical residue changes towards high-level tigecycline resistance. mSystems 6:e00050-21. https://doi.org/10.1128/mSystems.00050-21.2.Cui Z-H, Zheng Z-J, Tang T, et al. (2020) Rapid Detection of High-Level Tigecycline Resistance in Tet(X)-Producing Escherichia coli and Acinetobacter spp. Based on MALDI-TOF MS. Front. Cell. Infect. Microbiol. 10:583341. doi: 10.3389/fcimb.2020.583341.

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