液體培養發狀念珠藍細菌代謝物提取方法的比較分析

韓培培，孫 瑩，段文倩，石 拓，賈士儒

(工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津 300457)

液體培養發狀念珠藍細菌代謝物提取方法的比較分析

韓培培，孫 瑩，段文倩，石 拓，賈士儒

(工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津 300457)

比較了基于氣相色譜–質譜聯用技術(GC-MS)發狀念珠藍細菌代謝物的2種不同提取方法．在對樣品進行快速洗滌和淬滅后，分別采用冷甲醇法和甲醇/氯仿法對樣品進行提取，并考察了樣品量對提取效果的影響．結果顯示，從提取到的代謝物種類和豐度角度，冷甲醇法的提取效果要優于甲醇/氯仿法，且采用50mg樣品量的提取效果較佳．通過本方法，在發狀念珠藍細菌中共檢測到46種代謝物，包括19種有機酸、1種無機酸、13種氨基酸、4種胺類、4種醇類和5種糖類物質．

發狀念珠藍細菌；藍細菌；氣相色譜–質譜聯用技術；代謝物；提取方法

發狀念珠藍細菌，又叫發狀念珠藻(Nostoc flagelliforme)，俗稱發菜，是一種陸生藍細菌，主要分布在荒漠和半荒漠地區，是荒漠中的主要固氮及光合藻類[1–3]．除耐旱特性外，發菜還具有耐堿、抗紫外線、耐高溫等能力，研究其抗逆性能有助于了解生物對環境的適應機制[4]．代謝物是細胞對遺傳因子或環境因子作出生理響應后的最后產物，對代謝物進行研究可以幫助人們反向解析被研究對象的生理生化狀態與預設環境變化之間的關系，從而促進對其中相應機理和本質的理解[5]．本研究通過氣相色譜-質譜聯用技術對發狀念珠藍細菌的代謝物進行系統研究，建立系統分析代謝物的方法，為進一步從代謝水平上研究發狀念珠藍細菌的抗逆機制奠定基礎．

1 材料與方法

1.1 材料

發狀念珠藍細菌(Nostoc flagelliforme)由天津市工業微生物重點實驗室保存．

甲醇(色譜純)、氯仿(色譜純)，天津化學試劑一廠；吡啶(色譜純)，Sigma公司；N–甲基三甲基硅基三氟乙酰胺(MSTFA)，Fluka公司；氘標記琥珀酸，ISOTEC公司．

1.2 方法

1.2.1 發狀念珠藍細菌細胞的培養

采用BG11培養基[6]，500mL三角瓶裝液量200mL，培養溫度(25±0.2)℃，光照度1,000,lx條件下靜止培養15,d．

1.2.2 代謝物的提取方法

甲醇/氯仿法：參考文獻[7]的方法并進行了優化.

細胞抽濾收集后用液氮研磨成粉末，稱取適量細胞粉末，加入–20℃預冷的溶液(V甲醇∶V氯仿∶V水＝2.5∶1∶1)1mL，充分混勻，室溫下振蕩30min. 14,000r/min離心10min，上清液轉入新的EP管中，4℃保存；向殘渣中再加入–20℃預冷的代謝提取液(V甲醇∶V氯仿＝1∶1)500μL，充分混勻，室溫下振蕩30min．14,000r/min離心10min，將兩次所得的上清液合并，加入250μL水，充分混勻后，6,400r/min離心20min分層，取150μL上清液，–60℃凍干．其中細胞粉末分別稱取30mg和50mg，標記為1-30和1-50．

冷甲醇法：參考文獻[8]的方法并進行了優化．細胞抽濾收集后用液氮研磨成粉末，稱取適量細胞粉末，加入–20℃預冷的50%甲醇溶液1mL，液氮反復凍融5次，取150μL上清液，–60℃凍干．其中細胞粉末分別稱取30mg和50mg，標記為2-30和2-50．

1.2.3 代謝物衍生化

采取兩步衍生化法，先加入50μL甲氧基銨鹽酸鹽的吡啶溶液(20mg/mL)，30℃孵育90min，肟化以保護羰基；再加入MSTFA 80μL，37℃孵育30min，轉移到進樣瓶中室溫靜置2h后進行分析．

1.2.4 代謝物的檢測

采用GC-TOF-MS(Waters GC-TOF-MS系統，包括配有安捷倫7683自動進樣器、安捷倫6890氣相色譜和TOF飛行時間質譜儀)對樣品進行定性和定量分析．色譜條件：色譜柱為DB–5氣相色譜柱(30m× 0.25mm，0.25μm)，進樣量1μL，分流比1∶1，進樣口溫度280℃，接口溫度270℃．氦氣流量：恒壓模式，91kPa．升溫程序：70℃保持2min，以5℃/min的速率升到290℃，并在290℃保持6min．質譜參數：放射電流100μA，游離電壓70eV，源溫250℃，掃描范圍(m/z)50～800，掃描速度為每秒2譜圖．

1.2.5 色譜峰的識別及定量

色譜峰的識別是通過與NIST library比較完成．采用每種物質的特征離子的單位質量色譜圖的峰面積進行定量．

2 結果與分析

通過前期對GC-MS檢測條件的優化，建立了基于GC-MS的代謝物檢測方法．圖1為由GC-MS分析得到的發狀念珠藍細菌胞內代謝物的總離子流圖．由圖1可知，通過提取方法1-30、1-50、2-30和2-50得到的代謝物對應的總離子流圖可以明顯看出方法2-30和2-50對應總離子流圖的峰更多，即提取到的代謝物種類更多．通過進一步分析，由GCMS檢測到發狀念珠藍細菌胞內代謝物可分為以下幾類：有機酸、無機酸、氨基酸、胺類、醇類和糖類．

圖1 不同提取方法獲得的發狀念珠藍細菌胞內代謝物總離子流圖Fig. 1 GC-MS chromatograms of irons of intracellular metabolites from Nostoc flagelliforme with different extracting methods

不同提取方法得到的有機酸和無機酸的種類及含量如圖2所示．從圖2中可以看出：發狀念珠藍細菌中有機酸種類較多，共檢測到19種有機酸，且不同有機酸含量差別較大．可以看出冷甲醇法提取到的有機酸種類比甲醇/氯仿法多，冷甲醇法提取到19種有機酸，而甲醇/氯仿法提取到15種有機酸，其中9，12–十八碳二烯酸、9，12，15–十八碳三烯酸、9–十六碳烯酸甲酯和軟脂酸未檢測到；且對于大多數有機酸，由冷甲醇法提取得到的含量都明顯高出甲醇/氯仿法，而2-50又明顯優于2-30．

不同提取方法得到的氨基酸種類及含量如圖3所示．由圖3可知：在發狀念珠藍細菌中檢測到了13種氨基酸，且谷氨酸含量較高．除賴氨酸外，冷甲醇法的提取效果明顯優于甲醇/氯仿法；除L–蘇氨酸、谷氨酸、L–鳥氨酸外，提取方法2-30與2-50差別并不明顯．

圖2 不同提取方法得到的有機酸和無機酸的種類及含量Fig. 2 Comparison of types and contents of organic and inorganic acids with different extracting methods

圖3 不同提取方法得到的氨基酸種類及含量Fig. 3 Comparison of types and contents of amino acids with different extracting methods

不同提取方法得到的胺類物質種類及含量如圖4所示．由圖4可知：在發狀念珠藍細菌中，檢測到了4種胺類物質，分別為羥胺、尿素、乙胺和1，4–丁二胺；其中羥胺和尿素含量相對較少．對于乙胺和1，4–丁二胺，冷甲醇法尤其是采取50mg樣品時提取效果更好，而尿素更適合采用甲醇/氯仿法進行提取．對于羥胺，這兩種提取方法差別不大．

圖4 不同提取方法得到的胺類物質種類及含量Fig. 4Comparison of types and contents of amines with different extracting methods

不同提取方法得到的醇類種類及含量如圖5所示．不同提取方法得到的糖類物質種類及含量如圖6所示．

圖5 不同提取方法得到的醇類種類及含量Fig. 5Comparison of types and contents of alcohols with different extracting methods

圖6 不同提取方法得到的糖類物質種類及含量Fig. 6Comparison of types and contents of sugars with different extracting methods

甲醇/氯仿法未提取到丙三醇；冷甲醇法對肌醇和myo–肌醇的提取效果要好于甲醇/氯仿法；對于丙二醇，甲醇/氯仿法和冷甲醇法未呈現明顯差別．

由圖6可知：在發狀念珠藍細菌中共檢測到5種糖類物質，對于吡喃半乳糖、半乳糖、D–果糖，冷甲醇法要優于甲醇/氯仿法；對于葡萄糖，方法1-50提取效果較好．發狀念珠藍細菌中糖類代謝物種類較少，這可能與采用的自養方式有關．

3 討 論

在代謝物的提取過程中，為了迅速終止細胞代謝反應，取樣后會立即進行淬滅處理[9]．本實驗采用的是液氮冷凍淬滅法．代謝產物一般用水或有機溶劑分別提取，獲得水提取物和有機溶劑提取物，從而把非極性物質和極性物質分開以便進行分析．因為一些特定提取條件往往僅適合某些類化合物，所以目前尚沒有一種能夠適合所有代謝產物的提取方法．應該根據不同的化合物選擇不同的提取方法，并對提取條件進行優化．Maharjan等[10]研究了6種提取方法冷甲醇、熱甲醇、熱乙醇、酸、堿和甲醇/氯仿對大腸桿菌代謝物譜的影響，結果表明冷甲醇法可得到更多的代謝物．Dettmer等[11]研究了甲醇、甲醇/水、乙腈、乙腈/水、甲醇/氯仿、甲醇/異丙醇、酸性甲醇7種提取方法對結腸癌細胞株代謝物譜的影響，結果發現甲醇/水提取的代謝物最多．本文選擇了冷甲醇和甲醇/氯仿兩種提取方法以及兩種細胞量進行比較，希望找出一種最優的提取方法．結果表明，發狀念珠藍細菌中主要物質為有機酸、氨基酸、胺類、醇類和糖類，對于大多數代謝物，冷甲醇法的提取效果都明顯優于甲醇/氯仿法，而比較2-30和2-50，雖然提取代謝物種類上沒有變化，但在離子圖上可看出二者信噪比有顯著差異．其中信噪比(S/N)以3倍S/N為檢出限，10倍S/N為測定下限，使用30mg樣品進行實驗，有些物質含量較少，低于測定下限，雖然可檢測出，但定量時會不準，而50mg的樣品量就可以滿足要求，因而方法2-50優于2-30，即對于發狀念珠藍細菌，冷甲醇法的提取效率要優于甲醇/氯仿法．并且采用50mg樣品量的效果較好．

4 結 論

采用50mg樣品量的冷甲醇法適用于發狀念珠藍細菌代謝產物的提取和進一步的GC-MS分析．通過本文建立的代謝物分析方法，在發狀念珠藍細菌中共檢測、鑒定到了46種代謝物，其中包括19種有機酸、1種無機酸、13種氨基酸、4種胺類、4種醇類和5種糖類物質．本文工作為進一步從代謝水平上研究發狀念珠藍細菌的生理機制奠定了基礎．

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責任編輯：郎婧

Comparison of Metabolites Extracting Methods from Liquid Cultured Nostoc flagelliforme

HAN Peipei，SUN Ying，DUAN Wenqian，SHI Tuo，JIA Shiru
(Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology，Ministry of Education，College of Biotechnology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

With gas chromatography mass spectrometry(GC-MS)，two kinds of metabolites extracting methods of Nostoc flagelliforme were compared. After being washed and quenched，samples were extracted using the cold methanol method and methanol / chloroform method，respectively. The results suggested that the better extraction effect was achieved with the cold methanol method with the 50mg sample. Through this method，46,kinds of metabolites from Nostoc flagelliforme were detected and identified，including 19,kinds of organic acids，1,kind of inorganic acid，13,kinds of amino acids，4,kinds of amines，4,kinds of alcohols，and 5,kinds of sugar.

Nostoc flagelliforme；cyanobacteria；gas chromatography mass spectrometry(GC-MS)；metabolite；extracting methods

Q93

A

1672-6510(2014)01-0007-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.01.002

2013–05–29；

2013–07–12

國家自然科學基金資助項目(31201405，31271809)；國家級“大學生創新創業訓練計劃”資助項目(201210057008)

韓培培（1983—），女，山東人，講師；通信作者：賈士儒，教授，jiashiru@tust.edu.cn.