This work was supported by the European Commission project Indox-FP7-KBBE-2013-7-613549; a Cost-Action CM1303-Systems Biocatalysis; and the National Projects Dewry [BIO201343407-R] and Cambios [RTC-2014-1777-3].

1. Mutante de construcción de biblioteca <ol><li> Elegir las regiones para ser sometidos al de transformación con la ayuda de algoritmos de cálculo en base a la estructura cristalina o de homología de 18 modelos disponibles. <ol><li> Aquí, el objetivo de dos regiones de AAO de Pleurotus eryngii para la mutagénesis al azar y la recombinación (Met [α1] -Val109, Phe392-Gln566), mientras que la amplificación de la resto del gen (844 bp) por PCR de alta fidelidad (Figura 1). Nota: Varios segmentos pueden ser estudiados por MORPHING de manera independiente o combinada 16. </li></ol></li><li> Amplificar las zonas seleccionadas por PCR mutagénica. Crear áreas entre segmentos (~ 50 pb cada uno) se superponen mediante la superposición de las reacciones de PCR de las regiones definidas. <ol><li> Preparar PCR mutagénica de los segmentos objetivo en un volumen final de 50 l que contenía ADN molde (0.92 ng / l), 90 nM sentido oligo (RMLN para el segmento de MI y AAO-BP para el segmento M-II), 90 nM unacebador ntisense (AAO-92C para el segmento de MI y RMLC para el segmento M-II), dNTPs 0,3 mM (0,075 mM cada uno), 3% (v / v) sulfóxido de dimetilo (DMSO), 1,5 mM MgCl 2, MnCl 0,05 mM 2 y 0,05 U / l de Taq ADN polimerasa. Secuencias de cebadores se detalla en la Figura 1. </li><li> Utiliza el siguiente programa de PCR: 95ºC durante 2 min (1 ciclo); 95 ° C durante 45 s, 50ºC durante 45 s, 74ºC durante 45 segundos (28 ciclos); y 74 ° C durante 10 min (1 ciclo). </li></ol></li><li> Amplificar las regiones no mutagénicos con ultra alta fidelidad de la polimerasa e incluyen las áreas correspondientes se solapan los segmentos mutagénicos y / o salientes vector linealizado. <ol><li> Preparar las mezclas de reacción en un volumen final de 50 l que contenía: plantilla de ADN (0,2 ng / l), 250 nM sentido oligo HFF, 250 nM HFR oligo antisentido, mM dNTPs 0,8 (0,2 mM cada uno), 3% (v / v) de dimetilsulfóxido (DMSO) y 0,02 U / l iproof ADN polimerasa. secuencias de los cebadores se detallan en &lt;strong&gt; Figura 1. </li><li> Utiliza el siguiente programa de PCR: 98 ° C durante 30 segundos (1 ciclo); 98 ° C durante 10 seg, 55 ° C durante 25 seg, 72 ° C durante 45 seg (28 ciclos); y 72 ° C durante 10 min (1 ciclo). Nota: Con las condiciones descritas en el punto 1.2 y 1.3 solapamientos de 43 pb (región de plásmido-M1); 46 pb (M1 región por región HF); 47 pb (región-región M2 HF) y 61 pb (M2 plásmido región) se han diseñado (Figura 1) para favorecer el empalme en vivo en la levadura. </li><li> Purificar todos los fragmentos de PCR (mutagénicos y no mutagénicos) con un kit de extracción de gel comercial de acuerdo con el protocolo del fabricante. </li></ol></li><li> Linealizar el vector de modo que se crean regiones de aproximadamente 50 pares de bases que flanquean que son homólogos a los extremos 5 &#39;y 3&#39; extremos del gen diana. <ol><li> Preparar una mezcla de reacción que contiene linealización 2 g de ADN, 7,5 U Bam HI, 7,5 U XhoI, 20 g de BSA y 2 l de tampón de Bam HI 10x en un volumen final de 20 l. </li><li> Incubar la mezcla de reacción a 37 ° C durante 2 horas y 40 min. A continuación, proceder a la inactivación a 80 ° C durante 20 minutos. </li></ol></li><li> Se purifica el vector linealizado mediante extracción en gel de agarosa para evitar la contaminación con el plásmido circular residual (Figura 2). <ol><li> Cargar la mezcla de reacción de digestión en el mega-pocillo de una bajo punto de fusión en gel de agarosa semi-preparativa (0,75%, w: v), así como una parte alícuota (5 l) de la mezcla de reacción en el adyacente así como un reportero. </li><li> Ejecutar electroforesis de ADN (5 V / cm entre los electrodos, 4 ᵒC) y separar el gel de agarosa correspondiente a la mega bien y que lo conserve en 4 ᵒC en 1x TAE. </li><li> Manchar el carril con la escala de peso molecular y el reportero. Visualizar las bandas bajo luz UV. Nick la posición en los lugares vector linealizado. Nota: Como la calidad del vector linealizado purificado es un critifactor de cal para la recombinación exitosa y montaje en la levadura, para evitar mancharse gel de electroforesis de ADN semi-preparativa. El uso de colorantes y la exposición UV para la extracción de gel puede afectar a la estabilidad del vector de ADN, comprometer la eficacia de recombinación in vivo en. Como alternativa a los colorantes EtBr tóxicos, colorantes SYBR Gel Red y se utilizan comúnmente para la tinción de gel. </li><li> En la ausencia de luz UV, identificar el vector linealizado en el fragmento de mega-bien utilizando la guía de las muescas en el carril de reportero manchado de modo que pueda ser aislado. </li><li> Extraer el vector linealizado a partir de agarosa y se purifica con un kit de extracción de gel comercial de acuerdo con el protocolo del fabricante. Nota: Use vectores lanzadera episomal de alta copia con marcadores de antibióticos y auxotrofía: En este ejemplo se empleó el uracilo independiente y ampicilina resistencia pJRoC30 vector, bajo el control del promotor de levadura GAL1. </li></ol></li><li> Preparar un IM equimolarxture de los fragmentos de PCR y se mezcla con el vector linealizado en una proporción de 2: 1, con no menos de 100 ng de plásmido linealizado (prueba de diferentes proporciones de biblioteca equimolar / vector abierta para lograr buenos rendimientos de transformación). <ol><li> Medir la absorbancia de los fragmentos de PCR y el vector linealizado en 260 nm y 280 nm para determinar su concentración y pureza. </li></ol></li><li> Transformar células competentes de levadura con la mezcla de ADN utilizando un kit de transformación de levadura comercial (véase la Tabla de suministros) de acuerdo con las instrucciones del fabricante. <ol><li> A continuación, utilice una proteasa deficiente y URA3 - S. dependientes cerevisiae cepa, BJ5465. Transformar las células con el vector parental circularizado como un estándar interno durante la selección (véase a continuación). Además, compruebe el fondo mediante la transformación del vector linealizado en ausencia de fragmentos de PCR. Nota: En caso de detectar niveles iniciales bajos de secreción, use S.cerevisiae cepas deficientes en proteasa como BJ5465 de favorecer la acumulación de proteína activa en sobrenadantes de cultivo. Si la enzima diana se somete a hiperglicosilación, el uso de cepas deficiente en glicosilación (por ejemplo, Δ kre2 que sólo es capaz de fijar oligómeros de manosa más pequeñas) podría ser una opción adecuada. </li></ol></li><li> Placa de las células transformadas en placas de deserción SC y los incuban a 30 ° C durante tres días. Placa (en placas de deserción SC suplementado con uracilo) URA3 - S. células cerevisiae que carecen de plásmido como control negativo para la detección (ver abajo). </li></ol> 2. Alta-Throughput Screening de ensayo (Figura 3) <ol><li> Llenar un número apropiado de placas de 96 pocillos estériles (23 placas para analizar una biblioteca de 2.000 clones) con 50 l de medio mínimo por pocillo con la ayuda de un robot de pipeteado. </li><li> Recoger las colonias individuales de la SC-abandono placas y transferirlos a las placas de 96 pocillos. <ol><li> En cada placa, inocular número de columna 6 con el tipo parental como patrón interno y así H1 con URA3 - S. células cerevisiae (en medio SC suplementado con uracilo) sin plásmido como control negativo. Nota: Bueno H1 está llena específicamente con los medios de deserción suplementado con uracilo. Un medio bien contiene en blanco sin células también puede prepararse como un control de esterilidad adicional. </li></ol></li><li> Se cubren las placas con sus tapas y envolverlos en Parafilm. Incubar las placas durante 48 horas a 30 ° C, 225 rpm y 80% de humedad relativa en un agitador húmedo. </li><li> Retire el Parafilm, añadir 160 l de medio de expresión a cada pocillo con la ayuda del robot de pipeteado, vuelva a sellar las placas y se incuban durante 24 horas. Nota: medio mínimo y medio de expresión se preparan como informado en otras partes 19. los niveles de secreción pueden variar en función del gen bajo estudio y, en consecuencia, tél incubación veces deben ser optimizados en cada caso para sincronizar el crecimiento de las células en todos los pocillos. </li><li> Centrifugar las placas (placas maestras) a 2800 x g durante 10 min a 4 ° C. </li><li> Transferencia de 20 l del sobrenadante de los pocillos de la placa principal a la placa de réplica usando un manejo multiestación robótico líquido. Nota: Para favorecer la secreción de enzimas, es aconsejable sustituir el péptido señal nativa de la proteína diana mediante péptidos señal comúnmente utilizados para la expresión heteróloga en la levadura (por ejemplo, el factor α prepro-líder, el líder de la K 1 Killer toxina de S. cerevisiae, o incluso versiones quiméricas de ambos péptidos 13). Alternativamente, el péptido señal nativo puede ser desarrollado exclusivamente para la secreción en la levadura. </li><li> Añadir 20 l de p -methoxybenzylalcohol 2 mM en tampón de fosfato de sodio 100 mM pH 6,0 con la ayuda del robot de pipeteado. Agitar las placas brevemente con un 96-nosll mezclador de placas y se incuba durante 30 min a TA. </li><li> Con el robot de pipeteado, añadir 160 l de reactivo FOX a cada placa de réplica y agitar brevemente con el mezclador (concentración final de la mezcla de FOX en el pozo: 100 M xilenol naranja, 250 M Fe (NH4) 2 (SO4) 2 y 25 mm de H 2 SO 4). <ol><li> Añadir varios aditivos al reactivo para mejorar la sensibilidad, tales como co-disolventes orgánicos (DMSO, etanol, metanol) o sorbitol 17. Aquí, amplificar la respuesta mediante la adición de sorbitol a una concentración final de 100 mM (Figura 4). </li></ol></li><li> Leer las placas (modo de punto final, t 0) a 560 nm en un lector de placas. </li><li> Incubar las placas a temperatura ambiente hasta que se desarrolle el color y medir la absorción de nuevo (t 1). <ol><li> Calcular la actividad relativa de la diferencia entre el valor Abs después de la incubación y el de la medición inicial normalizado a la pareTipo ntal para cada placa (Dt 1 - t 0). </li></ol></li><li> Someter los mejores éxitos mutantes a dos re-exámenes consecutivos para descartar falsos positivos. Nota: Por lo general, re-proyecciones incluyen el aislamiento del plásmido de la levadura, la amplificación y purificación en Escherichia coli, seguido de la transformación de células de levadura fresca con el plásmido 19. Cada clon seleccionado se vuelve a proyectará en pentaplicate. </li></ol>

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	<li>J&#228;ckel, C., Hilvert, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocatalysts+by+evolution.">Biocatalysts by evolution.</a> Curr. Opin. Biotechnol. 21 (6), 753-759 (2010).</li><li>Bornscheuer, U. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+the+third+wave+of+biocatalysis.">Engineering the third wave of biocatalysis.</a> Nature. 485 (7397), 185-194 (2012).</li><li>Renata, H., Wang, Z. W., Arnold, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Expanding+the+enzyme+universe:+accessing+non-natural+reactions+by+mechanism-guided+directed+evolution.">Expanding the enzyme universe: accessing non-natural reactions by mechanism-guided directed evolution.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (11), 3351-3367 (2015).</li><li>Cobb, R. E., Chao, R., Zhao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+evolution:+past,+present+and+future.">Directed evolution: past, present and future.</a> AIChE J. 59 (5), 1432-1440 (2013).</li><li>Abatemarco, J., Hill, A., Alper, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Expanding+the+metabolic+engineering+toolbox+with+directed+evolution.">Expanding the metabolic engineering toolbox with directed evolution.</a> Biotechnol. J. 8 (12), 1397-1410 (2013).</li><li>Pourmir, A., Johannes, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+evolution:+selection+of+the+host+organism.">Directed evolution: selection of the host organism.</a> Comput Struct Biotechnol J. 2 (3), e201209012 (2012).</li><li>Krivoruchko, A., Siewers, V., Nielsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opportunities+for+yeast+metabolic+engineering:+lessons+from+synthetic+biology.">Opportunities for yeast metabolic engineering: lessons from synthetic biology.</a> Biotechnol J. 6 (3), 262-276 (2011).</li><li>Gonzalez-Perez, D., Garcia-Ruiz, E., Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Saccharomyces+cerevisiae+in+directed+evolution:+an+efficient+tool+to+improve+enzymes.">Saccharomyces cerevisiae in directed evolution: an efficient tool to improve enzymes.</a> Bioeng Bugs. 3, 172-177 (2012).</li><li>Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mutagenesis+protocols+in+Saccharomyces+cerevisiae+by+In+Vivo+Overlap+Extension.">Mutagenesis protocols in Saccharomyces cerevisiae by In Vivo Overlap Extension.</a> Methods Mol. Biol. 634, 3-14 (2010).</li><li>Bulter, T., Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparing+libraries+in+Saccharomyces+cerevisiae.">Preparing libraries in Saccharomyces cerevisiae.</a> Methods. Mol. Biol. 231, 17-22 (2003).</li><li>Ostrov, N., Wingler, L. M., Cornish, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gene+assembly+and+combinatorial+libraries+in+S.+cerevisiae+via+reiterative+recombination.">Gene assembly and combinatorial libraries in S. cerevisiae via reiterative recombination.</a> Methods. Mol. Biol. 978, 187-203 (2013).</li><li>Shao, Z., Zhao, H., Zhao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+assembler,+an+in+vivo+genetic+method+for+rapid+construction+of+biochemical+pathways.">DNA assembler, an in vivo genetic method for rapid construction of biochemical pathways.</a> Nucleic Acids Res. 37 (2), e16 (2009).</li><li>Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+the+ligninolytic+enzyme+consortium.">Engineering the ligninolytic enzyme consortium.</a> Trends Biotechnol. 33 (3), 155-162 (2015).</li><li>Garcia-Ruiz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+evolution+of+ligninolytic+oxidoreductases:+from+functional+expression+to+stabilization+and+beyond.">Directed evolution of ligninolytic oxidoreductases: from functional expression to stabilization and beyond.</a> Cascade Biocatalysis: integrating stereoselective and environmentally friendly reactions. , 1-22 (2014).</li><li>Hernandez-Ortega, A., Ferreira, P., Martinez, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fungal+aryl-alcohol+oxidase:+a+peroxide-producing+flavoenzyme+involved+in+lignin+degradation.">Fungal aryl-alcohol oxidase: a peroxide-producing flavoenzyme involved in lignin degradation.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 93 (4), 1395-1410 (2012).</li><li>Gonzalez-Perez, D., Molina-Espeja, P., Garcia-Ruiz, E., Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mutagenic+organized+recombination+process+by+homologous+in+vivo+grouping+(MORPHING)+for+directed+enzyme+evolution.">Mutagenic organized recombination process by homologous in vivo grouping (MORPHING) for directed enzyme evolution.</a> PLoS One. 9, e90919 (2014).</li><li>Rhee, S. G., Chang, T., Jeong, W., Kang, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+Detection+and+Measurement+of+Hydrogen+Peroxide+Inside+and+Outside+of+Cells.">Methods for Detection and Measurement of Hydrogen Peroxide Inside and Outside of Cells.</a> Mol. Cells. 29 (6), 539-549 (2010).</li><li>Sebestova, E., Bendl, J., Brezovsky, J., Damborsky, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+tools+for+designing+smart+libraries.">Computational tools for designing smart libraries.</a> Methods. Mol. Biol. 1179, 291-314 (2014).</li><li>Vi&#241;a-Gonzalez, J., Gonzalez-Perez, D., Ferreira, P., Martinez, A. T., Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+directed+evolution+of+aryl-alcohol+oxidase+in+yeast+using+chimeric+signal+peptides.">Focused directed evolution of aryl-alcohol oxidase in yeast using chimeric signal peptides.</a> Appl. Environ. Microbiol. , (2015).</li><li>Gay, C., Collins, J., Gebicki, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydroperoxide+Assay+with+the+Ferric-Xylenol+orange+Complex.">Hydroperoxide Assay with the Ferric-Xylenol orange Complex.</a> Anal. Biochem. 273 (2), 149-155 (1999).</li><li>Reetz, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocatalysis+in+organic+chemistry+and+biotechnology:+Past,+present,+and+future.">Biocatalysis in organic chemistry and biotechnology: Past, present, and future.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (34), 12480-12496 (2013).</li><li>Mate, D. M., Gonzalez-Perez, D., Mateljak, I., Gomez de Santos, P., Vicente, A. I., Alcalde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pocket+manual+of+directed+evolution:+Tips+and+tricks.">The pocket manual of directed evolution: Tips and tricks.</a> Biotechnology of Microbial Enzymes: Production, Biocatalysis and Industrial Applications. , .</li><li>Chao, R., Yuan, Y., Zhao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+DNA+assembly+technologies.">Recent advances in DNA assembly technologies.</a> FEMS Yeast Res. 15, 1-9 (2015).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

En este artículo, hemos resumido la mayor parte de los consejos y trucos empleados en nuestro laboratorio para diseñar enzimas por evolución dirigida en S. cerevisiae (usando AAO como ejemplo) para que puedan ser adaptados para su uso con muchos otros sistemas de enzimas eucariotas simplemente siguiendo el enfoque común se describe aquí. En cuanto a la creación de la biblioteca, el morphing es un método rápido de un solo recipiente para introducir y recombinar las mutaciones al azar en pequeños tramos de proteínas, dejando el resto de regiones de la proteína alterada 16. Las bibliotecas con varias cargas de mutaciones se pueden preparar fácilmente y recombinados in vivo, junto con el plásmido linealizado, para generar un vector de replicación autónoma completa. Es fundamental que las secuencias superpuestas flanquean cada tramo para permitir que los fragmentos del gen completo al volver a montar a través de la recombinación in vivo, evitando reacciones adicionales de PCR y en los pasos de ligación in vitro. En este pROTOCOLO, la frecuencia de eventos de cruce entre los fragmentos de PCR se puede incrementar mediante la reducción del tamaño de las zonas de solapamiento, aunque esto puede comprometer la eficiencia de transformación. Independientemente de las polimerasas de ADN utilizados para la PCR mutagénica, las cargas de mutaciones se pueden ajustar mediante la construcción y el análisis de pequeños paisajes biblioteca de mutantes (Figura 5A) anteriormente. Si se utiliza el Kit GeneMorph II, todavía es aconsejable seguir este enfoque ya que en vivo de recombinación de ADN se puede modificar notablemente las cargas mutacionales estimado por el fabricante. En términos generales, paisajes mutantes en las que 35 - 50% de los clones totales examinados tienen menos de 10% de la actividad de los padres son apropiados para las campañas de evolución dirigida, aunque este número varía en función de la proteína diana y su actividad. Por lo general, el análisis de bibliotecas mutantes paisajes se verificó adicionalmente por secuenciación del ADN de una muestra aleatoria de mutantes. En el ejemplo actual, la TaqADN polimerasa se utilizó debido a su alta tasa de error, que está vinculada a la falta de 3 &#39;→ 5&#39;proof de lectura de actividad de exonucleasa. Las cargas de mutaciones en las bibliotecas de Taq fueron modificados por la adición de diferentes concentraciones de MnCl 2, pero el uso de dNTPs desequilibrados y / o la reducción de las concentraciones de la plantilla de genes también son opciones adecuadas. limitaciones inherentes de MORPHING llegado a partir del número de segmentos a recombinar. De acuerdo con nuestra experiencia, hasta cuatro bloques de proteínas (cinco eventos de cruce contando las áreas de recombinación con el vector linealizado) puede ser empalmado con buenos rendimientos de transformación (~ 10 5 clones por reacción de transformación). Este método puede ser fácilmente modificado para realizado mutagénesis múltiple saturación de sitio (por ejemplo, utilizando cebadores degenerados NDT o la creación de degeneración durante 22 codones únicos) para explorar varias posiciones simultáneamente al tiempo que reduce significativamente los esfuerzos de detección 21,22. ciegas&quot; para AAO es extremadamente sensible y fiable (basado en la detección directa de H 2 O 2 independientemente del sustrato utilizado por la enzima), lo que representa un ensayo complementario a otro bien establecido indirecta protocolos para detectar peróxidos (en su mayoría peroxidasas acoplamiento con sustratos colorimétricos). De hecho, el ensayo FOX se ha empleado habitualmente para medir H 2 O 2 en fluidos biológicos, y ahora se puede traducir fácilmente en los protocolos de evolucionar AAO y cualquier otra H 2 O 2 productores de enzimas (por ejemplo, glucosa oxidasas, deshidrogenasas celobiosa, glioxal oxidasas, oxidasas metanol), en particular para la actividad en sustratos no naturales donde las respuestas son de otra manera difícil de detectar. S. cerevisiae es el anfitrión más adecuada para la evolución dirigida de genes eucariotas ya que ofrece alta eficiencia de transformación (hasta 1 x 106 transformantes / mg de ADN), que realiza complejo de procesamiento y las modificaciones después de la traducción (incluyendo N- y procesamiento C-terminal, y glicosilación) y exporta proteínas extrañas en el caldo de cultivo a través de una vía secretora. Además, las herramientas de biología molecular bien establecidos están disponibles para trabajar con esta levadura, incluyendo vectores lanzadera episomal uni o bi-direccional (no integradora) bajo el control de promotores de diferentes potencias. Por último, pero no menos importante, su alta frecuencia de recombinación de ADN homóloga ha permitido una serie de métodos para ser desarrollado para obtener diversidad de ADN que actualmente se utiliza para evolucionar proteínas individuales, así como vías enzimáticas más complejas 8, 12, 13, 23. el vivo de reparación de vacío en y el dispositivo de corrección de pruebas de esta levadura se pueden también emplearse para crear quimeras cuando recombinación de genes diferentes (con aprox. 60% de identidad de secuencia de ADN), así como para mezclar mejores descendiente / mutaciones de un directed campaña de la evolución, o para reunir in vitro e in vivo en métodos de recombinación de una ronda de evolución, enriqueciendo de esta manera las bibliotecas mutantes en cuanto a la capacidad de plegado y la función.

Evolución molecular dirigida es un método robusto, rápido y fiable para diseñar enzimas 1, 2. A través de rondas iterativas de mutación al azar, recombinación y análisis, versiones mejoradas de las enzimas se pueden generar que actúan sobre los nuevos sustratos, en las reacciones novedosas, en no natural ambientes, o incluso para ayudar a la célula para alcanzar nuevos objetivos metabólicos 3-5. Entre los anfitriones utilizados en la evolución dirigida, levadura Saccharomyces cerevisiae de cerveza ofrece un repertorio de soluciones para la expresión funcional de las proteínas eucariotas complejos que no son de otra manera disponible en homólogos procariotas 6,7. Se utiliza exhaustivamente en estudios de biología celular, este pequeño modelo eucariota tiene muchas ventajas en términos de las modificaciones post-traduccionales, la facilidad de manipulación y la eficiencia de transformación, todos los cuales son rasgos importantes para diseñar enzimas por evolución dirigida 8. Por otra parte, la alta frecuenciade la recombinación del ADN homólogo en S. cerevisiae acoplado a su aparato de prueba de lectura eficiente abre una amplia gama de posibilidades para la creación de la biblioteca y el conjunto de genes in vivo, el fomento de la evolución de los diferentes sistemas de enzimas individuales a vías artificiales complejos 9-12. Nuestro laboratorio ha pasado la última década el diseño de herramientas y estrategias para la evolución molecular de diferentes ligninasas en la levadura (oxidorreductasas implicadas en la degradación de la lignina durante la descomposición de la madera natural) 13-14. En esta comunicación, presentamos un protocolo detallado para preparar y bibliotecas mutantes pantalla en S. cerevisiae para un modelo flavooxidase, alcohol-oxidasa-arilo (AAO 15) -, que se puede traducir fácilmente a muchas otras enzimas. El protocolo consiste en un método de evolución dirigida centrado (MORPHING: Proceso mutagénico Organizada recombinación homóloga in vivo por la Agrupación), asistido por el aparato de célula de levadura 16, unada ensayo de cribado muy sensible basado en la reacción de Fenton con el fin de detectar la actividad de AAO secretada en el caldo de cultivo 17.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1. Culture media</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ampicillin sodium salt</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A0166</td>
			<td>CAS N&#186; 69-52-3 M.W. 371.39</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacto Agar</td>
			<td>Difco</td>
			<td>214010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cloramphenicol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C-0378</td>
			<td>CAS N&#186; 56-75-7 M.W. 323.13</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-(+)-Galactose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G0750</td>
			<td>CAS N&#186; 59-23-4 M.W. 180.16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-(+)-Glucose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G5767</td>
			<td>CAS N&#186; 50-99-7 M.W. 180.16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-(+)-Raffinose pentahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>83400</td>
			<td>CAS N&#186; 17629-30-0 M.W. 594.51</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peptone</td>
			<td>Difco</td>
			<td>211677</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium phosphate monobasic</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P0662</td>
			<td>CAS N&#186; 7778-77-0 M.W. 136.09</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Uracil</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>U1128</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Extract</td>
			<td>Difco</td>
			<td>212750</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Nitrogen Base without Amino Acids</td>
			<td>Difco</td>
			<td>291940</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Synthetic Drop-out Medium Supplements without uracil</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Y1501</td>
			<td></td>
		</tr>
		
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2. PCR Reactions</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dNTP Mix</td>
			<td>Agilent genomics</td>
			<td>200415-51</td>
			<td>25 mM each</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iProof High-Fidelity DNA polymerase</td>
			<td>Bio-rad</td>
			<td>172-5301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manganese(II) chloride tetrahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M8054</td>
			<td>CAS N&#186; 13446-34-9 M.W. 197.91</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Taq DNA Polymerase</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D4545</td>
			<td>For error prone PCR</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3. Plasmid linearization</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BamHI restriction enzyme</td>
			<td>New England Biolabs</td>
			<td>R0136S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine Serum Albumin</td>
			<td>New England Biolabs</td>
			<td>B9001S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XhoI restriction enzyme</td>
			<td>New England Biolabs</td>
			<td>R0146S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel Red</td>
			<td>Biotium</td>
			<td>41003</td>
			<td>For staining DNA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4. FOX assays</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>F3754</td>
			<td>CAS N&#186; 7783-85-9 M.W. 392.14</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anysil Alcohol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>W209902</td>
			<td>CAS N&#186; 105-13-5 M.W. 138.16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-Sorbitol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S1876</td>
			<td>CAS N&#186; 50-70-4 M.W. 182.17</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide 30%</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td>1072090250</td>
			<td>FOX standard curve</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylenol Orange disodium salt</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>52097</td>
			<td>CAS N&#186; 1611-35-4 M.W. 716.62</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose gel stuff</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Norgen</td>
			<td>28035</td>
			<td>CAS N&#186; 9012-36-6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel Red</td>
			<td>Biotium</td>
			<td>41003</td>
			<td>DNA analysis dye</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GeneRuler 1Kb Ladder</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>SM0311</td>
			<td>DNA M.W. standard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Loading Dye 6x</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>R0611</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-melting temperature agarose</td>
			<td>Bio-rad</td>
			<td>161-3112</td>
			<td>CAS N&#186; 39346-81-1</td>
		</tr>
	
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5. Kits and cells</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>S. cerevisiae strain BJ5465</td>
			<td>LGC Promochem, Spain</td>
			<td>ATTC 208289</td>
			<td>Protease deficient strain with genotype: MAT&#945; ura3-52 trp1 leu2-delta1 his3-delta200 pep4::HIS3 prb1-delta1.6R can1 GAL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E. coli XL2-Blue competent cells</td>
			<td>Agilent genomics</td>
			<td>200150</td>
			<td>For plasmid purification and amplification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit</td>
			<td>Macherey-Nagel</td>
			<td>740,609,250</td>
			<td>DNA gel extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NucleoSpin Plasmid Kit</td>
			<td>Macherey-Nagel</td>
			<td>740,588,250</td>
			<td>Column miniprep Kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Transformation Kit</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>YEAST1-1KT</td>
			<td>Included DNA carrier (Salmon testes)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zymoprep yeast plasmid miniprep I</td>
			<td>Zymo research</td>
			<td>D2001</td>
			<td>Plasmid extraction from yeast</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6. Plates</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plates</td>
			<td>Greioner Bio-One</td>
			<td>655101</td>
			<td>Clear, non-sterile, Polystyrene (for activity measurements)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plates</td>
			<td>Greioner Bio-One</td>
			<td>655161</td>
			<td>Clear, sterile, Polystyrene (for microfermentations)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plate lid</td>
			<td>Greioner Bio-One</td>
			<td>656171</td>
			<td>Clear, sterile, Polystyrene (for microfermentations)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

directed evolution method in saccharomyces cerevisiae: mutant library creation and screening

La evolución dirigida en Saccharomyces cerevisiae ofrece muchas ventajas atractivas en el diseño de enzimas para aplicaciones biotecnológicas, un proceso que consiste en la construcción, la clonación y la expresión de bibliotecas de mutantes, junto a la alta frecuencia de recombinación homóloga de ADN in vivo. A continuación, se presenta un protocolo para crear y bibliotecas mutantes de levadura en pantalla basado en el ejemplo de un fungicida aril-alcohol oxidasa (AAO) para mejorar su actividad total. Dos segmentos de proteínas se sometieron a la evolución dirigida-centrado por mutagénesis aleatoria y recombinación de ADN in vivo. Voladizos de ~ 50 pb que flanquean cada segmento permite el correcto montaje del gen AAO-fusión en un vector linealizado que da lugar a un plásmido de replicación autónoma completa. Bibliotecas mutantes enriquecidos con variantes funcionales AAO se rastrearon en S. sobrenadantes cerevisiae con un ensayo de alto rendimiento sensible basado en la reacción de Fenton. El proceso general deconstrucción de la biblioteca en S. cerevisiae se describe aquí se puede aplicar fácilmente a evolucionar muchos otros genes eucarióticos, evitando reacciones adicionales de PCR, en la recombinación de ADN y la ligadura pasos in vitro.

AAO de P. Eryngii es un flavooxidase extracelular que suministra peroxidasas fúngicas con H 2 O 2 a empezar a atacar la lignina. Dos segmentos de AAO se sometieron a la evolución dirigida centrado-morphing con el fin de mejorar su actividad y su expresión en S. 19 cerevisiae. Independientemente de las enzimas extranjeros albergadas por S. cerevisiae, el problema más crítico en la construcción de bibliotecas de mutantes en la levadura se refiere a la ingeniería de las regiones superpuestas específicas para favorecer el empalme entre los fragmentos y su clonación en el vector linealizado. En el ejemplo actual, para cada reacción de PCR, todos los fragmentos tenían salientes de aproximadamente 50 pares de bases para promover en el empalme vivo en la levadura. El número de eventos de recombinación depende de la cantidad de segmentos a ser montado y se clonó con el vector linealizado (es decir, dos eventos de cruce se llevaron a cabo entre eltres segmentos de PCR -los dos segmentos mutagénicos que flanquean el segmentados no mutagenizado más dos cruces adicionales con el vector linealizado; Figura 1). De acuerdo con nuestra experiencia, la superposición de secuencias de más de 50 pb disminuyen la probabilidad de recombinación interna, mientras que no mejoran la eficiencia de transformación. Cargas mutacionales se ajustaron mediante el muestreo de bibliotecas de mutantes con diferentes paisajes, calcular el número de clones con &lt;10% de la actividad de la enzima parental, y aún más control de ellos mediante secuenciación de una muestra aleatoria de variantes activas y no activas (Figura 5A). Para la determinación del coeficiente de varianza S. cerevisiae células se transformaron con la AAO los padres y chapada en SC-abandono placas. Las colonias individuales se seleccionaron y se inocularon en una placa de pocillos 96 y se evaluó la actividad de los clones a partir de preparaciones frescas. muestra mutagénico2 (Taq / MnCl2 0,05 mM) fue elegido como el punto de partida para la construcción de bibliotecas y cribado. A medida que la actividad biológica de AAO aumenta la concentración de H 2 O 2 en el medio de reacción, se realizaron búsquedas de un ensayo sensible y preciso para cuantificar los cambios de menor importancia en H 2 O 2. FOX es un método químico basado en la reacción de Fenton 20, en el que la oxidación por H 2 O 2 unidades de la reacción de Fe 3+ con naranja de xilenol para formar un complejo azul-púrpura (o -cresolsulfone-ftaleína 3 &#39;, 3&#39; &#39;- bis (metilimino) diacetato ε 560 = 1,5 x 10 4 M -1 cm -1). La etapa de oxidación ferroso se amplificó mediante la adición de sorbitol para mejorar la sensibilidad del ensayo, el aumento de la propagación de radicales con un ε aparente 560 = 2,25 x 10 5 M -1 cm -1 (Fifigura 4). El límite de detección de este ensayo (en el rango mu M) se calculó por el método de determinación en blanco en una placa de 96 pocillos con las normas, por triplicado, (0, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 y 4 mM H 2 O 2 ) y el uso de varios sobrenadantes de S. cerevisiae que carecen de la URA3 - plásmido (Figura 5B). El ensayo fue lineal en presencia de sorbitol (hasta 8 M de H 2 O 2), y aunque la linealidad fue más persistente en ausencia de este azúcar (al menos hasta 30 M de H 2 O 2) la respuesta fue más débil (por ejemplo, en 6 M de H 2 O 2, una mejora de 4 veces se obtuvo en presencia de sorbitol -Profunda morado de una absorbancia de 0,24 en su ausencia -dark naranja (Figura 5B)). La relación entre el ABS y la concentración AAO se evaluó con cantidades crecientes de correose observó nzyme (a partir de sobrenadantes de levadura) y una respuesta lineal; R 2 = 0,997 (Figura 5C). Es notable que la señal de FOX fue estable durante varias horas sin ninguna interferencia aparente por los diferentes elementos en el caldo de cultivo. La sensibilidad estimada de FOX era ~ 0,4 M de H 2 O 2 producido por la AAO en el sobrenadante en presencia de sorbitol, y ~ 2 M en su ausencia. Una biblioteca de mutantes de 2.000 clones se construyó y se exploró con este ensayo. Varios mutantes AAO se identificaron con la mejora notablemente la secreción y la actividad contra el alcohol p metoxibencilo (Figura 5D) 19. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53761/53761fig1.jpg" /> Figura 1.. MORPHING Protocolo para la AAO Evolución Dos regiones diferentes de AAO fueron objeto de mutagénesis al azar y recombinación: M1 (azul, 590 pb) que incluye el péptido señal (SP); M2 (amarillo, 528 pb). La región de alta frecuencia (gris, 844 pb) se amplificó con polimerasas de alta fidelidad. Regiones mutagénicos fueron asignadas en la estructura cristalina de la AAO (AP ID: 3FIM). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53761/53761fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53761/53761fig2.jpg" /> Figura 2. Preparación de los productos de PCR y el vector linealizado (A) en gel de agarosa analítico (1% w: v). Que contiene un marcador de peso molecular (escalera de 1 kb) en los carriles 1 y 7; el vector linealizado con Bam HI y Xho I, el carril 2; PCR segmento M1, calle 3; PCR segmento M2, carril 4; PCR HF segmento, carril 5; v en elivo vuelto a montar vector linealizado con NheI (que contiene el gen completo AAO con las regiones MI, HF y H-II), carril 6. (B) linealización del vector, carriles 1 y 6 estándares moleculares, escalera de 1 Kb; plásmido miniprep, carril 2; plásmido linealizado con Nhe I, calle 3; plásmido linealizado con Bam HI y Xho I, carril 4; plásmido linealizado obtenido por extracción de gel y la limpieza después de la digestión, 5. Protocolo de carril (C) para la purificación del plásmido. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53761/53761fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/53761/53761fig3.jpg" /> Figura 3. De Alto Rendimiento protocolo para la detección. Descripción general del proceso. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53761/53761fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para conocer el vers más grandes</a>ión de esta figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53761/53761fig4.jpg" /> Figura 4. El método de FOX. Hongos de podredumbre blanca atacar a la pared celular de la madera a través de una reacción de Fenton que produce radical hidroxilo OH •. Las parejas método FOX esta reacción de xilenol naranja (XO), y la absorbancia del complejo de la XO-Fe 3+ se mide a 560 nm. La oxidación ferroso se amplifica por la adición de sorbitol a la mezcla de reactivos. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53761/53761fig4large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53761/53761fig5.jpg" /> Figura 5. mutagénicos paisajes morphing Bibliotecas Empleo de los distintos propenso a errores condiciones de PCR y Validación del Ensayo de selección. (A </stro<html> &gt; ng) MORPHING paisajes. línea horizontal continua muestra la actividad de tipo parental en el ensayo, mientras que las líneas discontinuas indican el coeficiente de variación del ensayo. Los porcentajes indican el número de clones con menos de 10% de la actividad de la enzima parental. Las actividades se representan en orden descendente. (B) Se evaluó el límite de detección FOX con concentraciones crecientes de H 2 O 2 en presencia (círculos negros) y ausencia (cuadrados blancos) de sorbitol. Correlación (C) lineal entre la concentración de AAO (sobrenadantes transformantes) y 560 nm Abs. Cada punto corresponde a la media de 8 experimentos e incluye la desviación estándar. (D) Mutant paisaje biblioteca. Las variantes seleccionadas (cuadrados sombreada) se volvieron a seleccionar como se informó en otro lugar 19. La línea continua muestra la actividad de AAO tipo parental.&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Directed Evolution Method in Saccharomyces cerevisiae: Mutant Library Creation and Screening

We present a detailed protocol to construct and screen mutant libraries for directed evolution campaigns in Saccharomyces cerevisiae.

Dirigida Método Evolución en<em&gt; Saccharomyces cerevisiae</em&gt;: Mutant Biblioteca Creación y Proyección

Directed evolution in Saccharomyces cerevisiae offers many attractive advantages when designing enzymes for biotechnological applications, a process that ...

directed-evolution-method-saccharomyces-cerevisiae-mutant-library

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Biology

Directed Evolution Method in Saccharomyces cerevisiae: Mutant Library Creation and Screening

10.8K vistas.  Institute of Catalysis, CSIC. We present a detailed protocol to construct and screen mutant libraries for directed evolution campaigns in Saccharomyces cerevisiae. 

Video: Directed Evolution Method in Saccharomyces cerevisiae: Mutant Library Creation and Screening

Dissection of Saccharomyces Cerevisiae Asci

Yeast is a highly tractable model system that is used to study many different cellular processes. The common laboratory strain Saccharomyces cerevisiae exists in either a haploid or diploid state. The ability to combine alleles from two haploids and the ability to introduce modifications to the genome requires the production and dissection of asci. Asci production from haploid cells begins with the mating of two yeast haploid strains with compatible mating types to produce a diploid strain. This can be accomplished in a number of ways either on solid medium or in liquid. It is advantageous to select for the diploids in medium that selectively promotes their growth compared to either of the haploid strains. The diploids are then allowed to sporulate on nutrient-poor medium to form asci, a bundle of four haploid daughter cells resulting from meiotic reproduction of the diploid. A mixture of vegetative cells and asci is then treated with the enzyme zymolyase to digest away the membrane sac surrounding the ascospores of the asci. Using micromanipulation with a microneedle under a dissection microscope one can pick up individual asci and separate and relocate the four ascopores. Dissected asci are grown for several days and tested for the markers or alleles of interest by replica plating onto appropriate selective media.

Dissection of Saccharomyces Cerevisiae Asci

Micromanipulation of yeast cells is needed for meiotic genetic analysis or to select diploid zygotes. These micromanipulations are carried out using the microneedle of a dissection microscope. The microneedle is used to relocate cells and is controlled by a micromanipulator which are available with various degrees of automation.

La disección de Saccharomyces cerevisiae Asci

Yeast is a highly tractable model system that is used to study many different cellular processes. The common laboratory strain Saccharomyces cerevisiae ...

Investigación

Biología

Quantitative Phosphoproteomics in Fatty Acid Stimulated Saccharomyces cerevisiae

This protocol describes the growth and stimulation, with the fatty acid oleate, of isotopically heavy and light S. cerevisiae cells. Cells are ground using a cryolysis procedure in a ball mill grinder and the resulting grindate brought into solution by urea solubilization. This procedure allows for the lysis of the cells in a metabolically inactive state, preserving phosphorylation and preventing reorientation of the phosphoproteome during cell lysis.  Following reduction, alkylation, trypsin digestion of the proteins, the samples are desalted on C18 columns and the sample complexity reduced by fractionation using hydrophilic interaction chromatography (HILIC). HILIC columns preferentially retain hydrophilic molecules which is well suited for phosphoproteomics.  Phosphorylated peptides tend to elute later in the chromatographic profile than the non phosphorylated counterparts. After fractionation, phosphopeptides are enriched using immobilized metal chromatography, which relies on charge-based affinities for phosphopeptide enrichment. At the end of this procedure the samples are ready to be quantitatively analyzed by mass spectrometry.

Quantitative Phosphoproteomics in Fatty Acid Stimulated Saccharomyces cerevisiae

Description of a quantitative phosphorylation procedure using cryolysis, urea solubilziation, HILIC fractionation and IMAC enrichment of phosphorylated peptides.

Phosphoproteomics cuantitativo de ácidos grasos estimulada Saccharomyces cerevisiae</em

This protocol describes the growth and stimulation, with the fatty acid oleate, of isotopically heavy and light S. cerevisiae cells. Cells are ground ...

Mutagenesis and Functional Selection Protocols for Directed Evolution of Proteins in E. coli

The efficient generation of genetic diversity represents an invaluable molecular tool that can be used to label DNA synthesis, to create unique molecular signatures, or to evolve proteins in the laboratory. Here, we present a protocol that allows the generation of large (>1011) mutant libraries for a given target sequence. This method is based on replication of a ColE1 plasmid encoding the desired sequence by a low-fidelity variant of DNA polymerase I (LF-Pol I). The target plasmid is transformed into a mutator strain of E. coli and plated on solid media, yielding between 0.2 and 1 mutations/kb, depending on the location of the target gene. Higher mutation frequencies are achieved by iterating this process of mutagenesis. Compared to alternative methods of mutagenesis, our protocol stands out for its simplicity, as no cloning or PCR are involved. Thus, our method is ideal for mutational labeling of plasmids or other Pol I templates or to explore large sections of sequence space for the evolution of activities not present in the original target. The tight spatial control that PCR or randomized oligonucleotide-based methods offer can also be achieved through subsequent cloning of specific sections of the library. Here we provide protocols showing how to create a random mutant library and how to establish drug-based selections in E. coli to identify mutants exhibiting new biochemical activities.

Mutagenesis and Functional Selection Protocols for Directed Evolution of Proteins in E. coli

Here we demonstrate a simple protocol to create a random mutant library for a given target sequence. We show how this method, which is performed in vivo in Escherichia coli, can be coupled with functional selections to evolve new enzymatic activities.

Mutagénesis y funcional protocolos de selección de la evolución dirigida de proteínas en E. coli</em

The efficient generation of genetic diversity represents an invaluable molecular tool that can be used to label DNA synthesis, to create unique molecular ...

Microarray Analysis for Saccharomyces cerevisiae

In this protocol, gene expression in yeast (Saccharomyces cerevisiae) is changed after exposure to oxidative stress induced by the addition of hydrogen peroxide (H2O2), an oxidizing agent. In the experiment, yeast is grown for 48 hours in 1/2X YPD broth containing 3X glucose. The culture is split into a control and treated group. The experiment culture is treated with 0.5 mM H2O2 in Hanks Buffered Saline (HBSS) for 1 hour. The control culture is treated with HBSS only. Total RNA is extracted from both cultures and is converted to a biotin-labeled cRNA product through a multistep process. The final synthesis product is taken back to the UVM Microarray Core Facility and hybridized to the Affymetrix yeast GeneChips. The resulting gene expression data are uploaded into bioinformatics data analysis software.

Microarray Analysis for Saccharomyces cerevisiae

In this protocol, gene expression in yeast (Saccharomyces cerevisiae) is changed after exposure to oxidative stress induced by the addition of hydrogen peroxide (H2O2), an oxidizing agent.

El análisis de microarrays para Saccharomyces cerevisiae</em

In this protocol, gene expression in yeast (Saccharomyces cerevisiae) is changed after exposure to oxidative stress induced by the addition of hydrogen ...

A Fluorescence Microscopy Assay for Monitoring Mitophagy in the Yeast Saccharomyces cerevisiae

Autophagy is important for turnover of cellular components under a range of different conditions. It serves an essential homeostatic function as well as a quality control mechanism that can target and selectively degrade cellular material including organelles1-4. For example, damaged or redundant mitochondria (Fig. 1), not disposed of by autophagy, can represent a threat to cellular homeostasis and cell survival. In the yeast, Saccharomyces cerevisiae, nutrient deprivation (e.g., nitrogen starvation) or damage can promote selective turnover of mitochondria by autophagy in a process termed mitophagy 5-9.
We describe a simple fluorescence microscopy approach to assess autophagy. For clarity we restrict our description here to show how the approach can be used to monitor mitophagy in yeast cells. The assay makes use of a fluorescent reporter, Rosella, which is a dual-emission biosensor comprising a relatively pH-stable red fluorescent protein linked to a pH-sensitive green fluorescent protein. The operation of this reporter relies on differences in pH between the vacuole (pH ~ 5.0-5.5) and mitochondria (pH ~ 8.2) in living cells. Under growing conditions, wild type cells exhibit both red and green fluorescence distributed in a manner characteristic of the mitochondria. Fluorescence emission is not associated with the vacuole. When subjected to nitrogen starvation, a condition which induces mitophagy, in addition to red and green fluorescence labeling the mitochondria, cells exhibit the accumulation of red, but not green fluorescence, in the acidic vacuolar lumen representing the delivery of mitochondria to the vacuole. Scoring cells with red, but not green fluorescent vacuoles can be used as a measure of mitophagic activity in cells5,10-12.

A Fluorescence Microscopy Assay for Monitoring Mitophagy in the Yeast Saccharomyces cerevisiae

A robust approach to monitor the delivery of organelles to the acidic lumen of the yeast vacuole for degradation and recycling is described. The method relies on the specific labeling of target organelles with a genetically encoded dual-emission fluorescence pH-biosensor, and visualization of individual cells using fluorescence microscopy.

Un ensayo de microscopía de fluorescencia para Mitophagy Vigilancia de la levadura Saccharomyces cerevisiae

Autophagy is important for turnover of cellular components under a range of different conditions. It serves an essential homeostatic function as well as a ...

MISSION LentiPlex Pooled shRNA Library Screening in Mammalian Cells

RNA interference (RNAi) is an intrinsic cellular mechanism for the regulation of gene expression. Harnessing the innate power of this system enables us to knockdown gene expression levels in loss of gene function studies.
There are two main methods for performing RNAi. The first is the use of small interfering RNAs (siRNAs) that are chemically synthesized, and the second utilizes short-hairpin RNAs (shRNAs) encoded within plasmids 1. The latter can be transfected into cells directly or packaged into replication incompetent lentiviral particles. The main advantages of using lentiviral shRNAs is the ease of introduction into a wide variety of cell types, their ability to stably integrate into the genome for long term gene knockdown and selection, and their efficacy in conducting high-throughput loss of function screens. To facilitate this we have created the LentiPlex pooled shRNA library.
The MISSION LentiPlex Human shRNA Pooled Library is a genome-wide lentiviral pool produced using a proprietary process. The library consists of over 75,000 shRNA constructs from the TRC collection targeting 15,000+ human genes 2. Each library is tested for shRNA representation before product release to ensure robust library coverage. The library is provided in a ready-to-use lentiviral format at titers of at least 5 x 108 TU/ml via p24 assay and is pre-divided into ten subpools of approximately 8,000 shRNA constructs each. Amplification and sequencing primers are also provided for downstream target identification.
Previous studies established a synergistic antitumor activity of TRAIL when combined with Paclitaxel in A549 cells, a human lung carcinoma cell line 3, 4. In this study we demonstrate the application of a pooled LentiPlex shRNA library to rapidly conduct a positive selection screen for genes involved in the cytotoxicity of A549 cells when exposed to TRAIL and Paclitaxel. One barrier often encountered with high-throughput screens is the cost and difficulty in deconvolution; we also detail a cost-effective polyclonal approach utilizing traditional sequencing.

Here we use a human LentiPlex pooled library and traditional sequencing methods to identify gene targets promoting cell survival. We demonstrate how to set up and deconvolute a LentiPlex screen and validate the results.

LentiPlex MISIÓN combinados de detección del shRNA biblioteca en células de mamífero

RNA interference (RNAi) is an intrinsic cellular mechanism for the regulation of gene expression. Harnessing the innate power of this system enables us to ...

Expression and Purification of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator Protein in Saccharomyces cerevisiae

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride channel, that when mutated, can give rise to cystic fibrosis in humans.There is therefore considerable interest in this protein, but efforts to study its structure and activity have been hampered by the difficulty of expressing and purifying sufficient amounts of the protein1-3. Like many 'difficult' eukaryotic membrane proteins, expression in a fast-growing organism is desirable, but challenging, and in the yeast S. cerevisiae, so far low amounts were obtained and rapid degradation of the recombinant protein was observed 4-9. Proteins involved in the processing of recombinant CFTR in yeast have been described6-9 .In this report we describe a methodology for expression of CFTR in yeast and its purification in significant amounts. The protocol describes how the earlier proteolysis problems can be overcome and how expression levels of CFTR can be greatly improved by modifying the cell growth conditions and by controlling the induction conditions, in particular the time period prior to cell harvesting. The reagants associated with this protocol (murine CFTR-expressing yeast cells or yeast plasmids) will be distributed via the US Cystic Fibrosis Foundation, which has sponsored the research. An article describing the design and synthesis of the CFTR construct employed in this report will be published separately (Urbatsch, I.; Thibodeau, P. et al., unpublished). In this article we will explain our method beginning with the transformation of the yeast cells with the CFTR construct - containing yeast plasmid (Fig. 1). The construct has a green fluorescent protein (GFP) sequence fused to CFTR at its C-terminus and follows the system developed by Drew et al. (2008)10. The GFP allows the expression and purification of CFTR to be followed relatively easily. The JoVE visualized protocol finishes after the preparation of microsomes from the yeast cells, although we include some suggestions for purification of the protein from the microsomes. Readers may wish to add their own modifications to the microsome purification procedure, dependent on the final experiments to be carried out with the protein and the local equipment available to them. The yeast-expressed CFTR protein can be partially purified using metal ion affinity chromatography, using an intrinsic polyhistidine purification tag. Subsequent size-exclusion chromatography yields a protein that appears to be &gt;90% pure, as judged by SDS-PAGE and Coomassie-staining of the gel.

Expression and Purification of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator Protein in Saccharomyces cerevisiae

Attempts to express the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) in Saccharomyces cerevisiae have, until now, yielded relatively low amounts of protein. This protocol and the associated reagents distributed via the Cystic Fibrosis Foundation should allow the preparation of milligram amounts of this 'difficult' eukaryotic membrane protein.

Expresión y purificación de la proteína transmembrana de la fibrosis quística regulador de la conductancia en la Saccharomyces cerevisiae

The  cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride  channel, that when mutated, can give rise to cystic fibrosis in  ...

Visualization and Analysis of mRNA Molecules Using Fluorescence In Situ Hybridization in Saccharomyces cerevisiae

The Fluorescence in situ Hybridization (FISH) method allows one to detect nucleic acids in the native cellular environment. Here we provide a protocol for using FISH to quantify the number of mRNAs in single yeast cells. Cells can be grown in any condition of interest and then fixed and made permeable. Subsequently, multiple single-stranded deoxyoligonucleotides conjugated to fluorescent dyes are used to label and visualize mRNAs. Diffraction-limited fluorescence from single mRNA molecules is quantified using a spot-detection algorithm to identify and count the number of mRNAs per cell. While the more standard quantification methods of northern blots, RT-PCR and gene expression microarrays provide information on average mRNAs in the bulk population, FISH facilitates both the counting and localization of these mRNAs in single cells at single-molecule resolution.

Visualization and Analysis of mRNA Molecules Using Fluorescence In Situ Hybridization in Saccharomyces cerevisiae

This protocol describes an experimental procedure for performing Fluorescence in situ Hybridization (FISH) for counting mRNAs in single cells at single-molecule resolution.

Visualización y Análisis de las moléculas de ARNm mediante fluorescencia<em&gt; In Situ</em&gt; La hibridación en<em&gt; Saccharomyces cerevisiae</em

The Fluorescence in situ Hybridization (FISH) method allows one to detect nucleic acids in the native cellular environment. Here we provide a protocol for ...

Coupled Assays for Monitoring Protein Refolding in Saccharomyces cerevisiae

Proteostasis, defined as the combined processes of protein folding/biogenesis, refolding/repair, and degradation, is a delicate cellular balance that must be maintained to avoid deleterious consequences 1. External or internal factors that disrupt this balance can lead to protein aggregation, toxicity and cell death. In humans this is a major contributing factor to the symptoms associated with neurodegenerative disorders such as Huntington's, Parkinson's, and Alzheimer's diseases 10. It is therefore essential that the proteins involved in maintenance of proteostasis be identified in order to develop treatments for these debilitating diseases. This article describes techniques for monitoring in vivo protein folding at near-real time resolution using the model protein firefly luciferase fused to green fluorescent protein (FFL-GFP). FFL-GFP is a unique model chimeric protein as the FFL moiety is extremely sensitive to stress-induced misfolding and aggregation, which inactivates the enzyme 12. Luciferase activity is monitored using an enzymatic assay, and the GFP moiety provides a method of visualizing soluble or aggregated FFL using automated microscopy. These coupled methods incorporate two parallel and technically independent approaches to analyze both refolding and functional reactivation of an enzyme after stress. Activity recovery can be directly correlated with kinetics of disaggregation and re-solubilization to better understand how protein quality control factors such as protein chaperones collaborate to perform these functions. In addition, gene deletions or mutations can be used to test contributions of specific proteins or protein subunits to this process. In this article we examine the contributions of the protein disaggregase Hsp104 13, known to partner with the Hsp40/70/nucleotide exchange factor (NEF) refolding system 5, to protein refolding to validate this approach.

Coupled Assays for Monitoring Protein Refolding in Saccharomyces cerevisiae

This article describes the use of a firefly luciferase-GFP fusion protein to investigate in vivo protein folding in Saccharomyces cerevisiae. Using this reagent, refolding of a model heat-denatured protein can be monitored simultaneously by fluorescence microscopy and an enzymatic assay to probe the roles of proteostasis network components in protein quality control.

Los ensayos acoplados para Monitoreo replegamiento de proteínas en<em&gt; Saccharomyces cerevisiae</em

Proteostasis, defined as the combined processes of protein folding/biogenesis, refolding/repair, and degradation, is a delicate cellular balance that must ...

Rapid Identification of Chemical Genetic Interactions in Saccharomyces cerevisiae

Determining the mode of action of bioactive chemicals is of interest to a broad range of academic, pharmaceutical, and industrial scientists. Saccharomyces cerevisiae, or budding yeast, is a model eukaryote for which a complete collection of ~6,000 gene deletion mutants and hypomorphic essential gene mutants are commercially available. These collections of mutants can be used to systematically detect chemical-gene interactions, i.e. genes necessary to tolerate a chemical. This information, in turn, reports on the likely mode of action of the compound. Here we describe a protocol for the rapid identification of chemical-genetic interactions in budding yeast. We demonstrate the method using the chemotherapeutic agent 5-fluorouracil (5-FU), which has a well-defined mechanism of action. Our results show that the nuclear TRAMP RNA exosome and DNA repair enzymes are needed for proliferation in the presence of 5-FU, which is consistent with previous microarray based bar-coding chemical genetic approaches and the knowledge that 5-FU adversely affects both RNA and DNA metabolism. The required validation protocols of these high-throughput screens are also described.

Rapid Identification of Chemical Genetic Interactions in Saccharomyces cerevisiae

Here we present a cost-effective method for defining chemical-genetic interactions in budding yeast. The approach is built on fundamental techniques in yeast molecular biology and is well suited for the mechanistic interrogation of small to medium collections of chemicals and other media environments.