Method Article
Ce protocole porte sur l’utilisation des spores bactériennes comme un outil de nanobiotechnological « en direct » pour adsorber les molécules hétérologues avec diverses activités biologiques. Les méthodes pour mesurer l’efficacité d’adsorption sont également indiqués.
Les spores bactériennes est une cellule métaboliquement quiescente, formée par une série de couches protectrices entourant un cytoplasme déshydraté. Cette structure particulière rend la spore extrêmement stable et résistant et a suggéré l’utilisation de la spore comme une plate-forme pour afficher des molécules hétérologues. Jusqu’ici, une variété d’antigènes et d’enzymes ont été affichés sur les spores de Bacillus subtilis et de quelques autres espèces, tout d’abord par une approche recombinante et, ensuite, par une méthode simple et efficace de recombinants. Le système d’affichage recombinants repose sur l’adsorption directe de hétérologue molécules sur la surface des spores, en évitant la construction de souches recombinantes et la libération des bactéries génétiquement modifiés dans l’environnement. Molécules adsorbées sont stabilisées et protégés par l’interaction avec les spores, qui limite la dégradation rapide des antigènes et la perte de l’activité enzymatique à des conditions défavorables. Une fois utilisé, spore-adsorbé enzymes peuvent être collectées facilement avec une réduction minimale de l’activité et réutilisés pour tours de réaction supplémentaire. Dans le présent document est montré comment s’adsorber les molécules modèles à spores purifiées de b. subtilis, comment évaluer l’efficacité d’adsorption et la collecte des spores usagés pour les recycler pour nouvelles réactions.
Systèmes d’affichage visent à présenter des molécules biologiquement actives sur la surface des micro-organismes et de trouver des applications dans une variété de domaines, des industriels aux biotechnologies médicales et écologiques. En plus des phages1,2 et cellules de divers Gram - positifs et espèces3,4,5,6,7, spores bactériennes ont également été proposé comme systèmes d’affichage par deux approches8,9.
En raison de sa structure particulière, à savoir un cytoplasme déshydraté, entouré par une série de couches protectrices10, la spore offre plusieurs avantages par rapport aux phages et cellule dotés d’écran systèmes8,9. Un premier avantage provient de l’extrême robustesse et stabilité des spores dans des conditions qui seraient préjudiciables à tous les autres cellules10,11. Enzymes et spore-affiche les antigènes sont stables après une conservation à température ambiante12 et protégée de la dégradation à pH faible et des températures élevées,13. Un deuxième avantage des spores est la sécurité de nombreuses espèces sporulées. B. subtilis, b. clausii, b. coagulanset plusieurs autres espèces sont utilisées dans le monde entier comme probiotiques et sont trouvent sur le marché à usage humain ou animal pour des décennies14,15. Cet enregistrement de sécurité exceptionnel est une évidente exigence générale pour un système d’affichage de surface et est particulièrement pertinent lorsque le système est destiné à l’usage humain ou animal,16. Un tiers, un avantage important d’un système d’affichage basé sur spore est qu’il n’a pas de limites pour la taille de la molécule qui doit être exposé. Dans les systèmes phage, une grosse protéine hétérologue peut affecter la structure de la capside, tandis que dans les systèmes basés sur les cellules, il peut affecter la structure de la membrane ou limite/qui risqueraient de la membrane translocation étape17. Les couches protectrices entourant la spore sont composent de plus de 70 différents protéines10 et sont suffisamment souples pour accepter les grosses protéines étrangères sans défaut structurel évident ou une impotence fonctionnelle8. En outre, avec les deux systèmes d’affichage axée sur les spores, la translocation de la membrane de la protéine hétérologue n’est pas requis8,9. En effet, les protéines hétérologues sont soit produites dans le cytoplasme de la cellule-mère et assemblés sur le spore qui se forme dans le même cytoplasme ou adsorbés sur les spores mûres8,9.
Affichage de spore a été initialement obtenu en développant un système génétique pour l’ingénieur de la spore surface18. Ce système génétique reposait sur i) la construction d’une fusion de gènes entre le gène codant pour une protéine de capside de spore (utilisée comme support) et le gène codant pour la protéine d’être affiché - la présence des signaux transcription et traduction de l’endogène gène contrôlera l’expression de la fusion et ii) l’intégration du gène sur le chromosome de b. subtilis d’accorder la stabilité génétique chimérique. Une variété d’antigènes et d’enzymes ont été affichées par cette approche recombinante, à l’aide de diverses protéines de surface des spores comme porteurs et visant à diverses applications possibles, allant de vaccin muqueux à biocatalyseur, biocapteurs, bioremédiation, ou bioanalytiques outil8,13.
Plus récemment, une approche différente de l’affichage de la spore a été développé19. Ce deuxième système est recombinants et repose sur l’adsorption spontanée et extrêmement serrée des molécules sur la surface de spore9. 19,d’antigènes20 et enzymes de13,21 ont été exposés avec efficacité et ont révélé que cette méthode est significativement plus efficace que celui recombinant. Cette approche non permet l’affichage des protéines dans la forme native20 et peut également être utilisée avec autoclave, mort des spores19. Le mécanisme moléculaire de l’adsorption n’a pas été entièrement précisé encore. La charge négative et l’hydrophobicité de la spore ont été proposés en tant que propriétés pertinentes pour l’adsorption13,19,22. Récemment, il a été démontré qu’une protéine de modèle, la protéine auto-fluorescente rouge (RDRF) des coraux Acropora, lorsque adsorbés à la spore, a pu s’infiltrer à travers les couches de surface localisation dans la couche intérieure de23. S’est avéré vrai pour les autres protéines, la localisation interne des protéines hétérologues pourrait expliquer leur stabilité accrue lorsque adsorbé à spores23.
Dans une étude récente, deux enzymes catalysant deux étapes successives de la voie de dégradation de xylan s’affichaient indépendamment sur les spores de b. subtilis et incubés ensemble, ont été en mesure d’effectuer les deux étapes de dégradation21. Spores recueillis après la réaction étaient encore actifs et en mesure de continuer la dégradation xylane lors de l’addition du substrat frais21. Même si une perte d’environ 15 % du produit final a été observée dans la deuxième réaction21, la réutilisabilité des enzymes adsorbés pour unique, ainsi que plusieurs étapes, les réactions constitue un atout important du système d’affichage de la spore.
Pan et al.24 a signalé une approche supplémentaire pour afficher des protéines hétérologues sur la surface des spores : protéines hétérologues (une protéine endoglucanase et une bêta-galactosidase un) produits dans la cellule-mère au cours de la sporulation étaient spontanément enfermé dans le manteau formant des spores, sans avoir besoin d’un transporteur. Ce système d’affichage supplémentaires spore est une combinaison des deux approches décrites jusqu'à présent. En effet, il est recombinant puisque les protéines hétérologues ont été conçus pour être exprimé dans la cellule-mère au cours de la sporulation, tandis que leur Assemblée au sein de la couche a été spontanée et, par conséquent, non24. Cependant, l’efficacité de l’affichage de cette approche supplémentaire reste à être testés et comparés avec les deux autres approches en utilisant les mêmes protéines hétérologues.
Le présent protocole exclut les processus de production de spores et de purification, qui ont été décrits abondamment ailleurs24. Il comprend la réaction d’adsorption, l’évaluation de l’efficacité d’adsorption par microscopie-dot-blot et de fluorescence, et le recyclage des enzymes adsorbés de réaction supplémentaire de tours.
1. réaction d’adsorption
2. directe évaluation de l’efficacité d’adsorption
3. indirecte évaluation de l’efficacité d’adsorption
4. la collection des spores et la réutilisation
Adsorption réussie peut être évaluée par western Blot. Lors de la réaction, le mélange est fractionné par centrifugation et lavé, et la fraction de pellet (Figure 1) est utilisée pour extraire les protéines de surface. L’extrait est fractionné par électrophorèse sur gel de polyacrylamide SDS (PAGE), électrotransféré sur une membrane de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et a réagi contre les anticorps primaires et secondaires. La présence de protéines de la taille attendue, seulement dans la voie chargée avec un extrait des spores adsorbés, témoigne d’une réaction d’adsorption réussie (Figure 2A).
L’efficacité de la réaction d’adsorption peut être évaluée par des méthodes directes et indirectes. L’évaluation directe de l’efficacité d’adsorption dépend de la protéine hétérologue qui a été utilisée et peut être réalisée par microscopie de fluorescence (Figure 2B) et cytofluorimetry (Figure 2C) sur la fraction de pellet après le fractionnement de la réaction d’adsorption. Une quantification des signaux fluorescents présents sur les spores peut être effectuée en utilisant le logiciel ImageJ (Figure 3 et Figure 4). Une analyse indirecte de l’efficacité d’adsorption peut être effectuée par une dot blot analyse (Figure 5A) de la fraction surnageante contenant la protéine non liée (Figure 1). Une analyse densitométrique de la protéine non liée (Figure 5B) permettra ensuite aux scientifiques de calculer indirectement la quantité de protéines adsorbé sur les spores.
Deux réactions successives peuvent être catalysées par un mélange de spores affichant l’une des deux enzymes spécifiques (Figure 6A). L’enzyme adsorbée peut être enlevées avec une étape de centrifugation simple, lavés et incubés avec frais pour un nouveau cycle de réaction (Figure 6B).
Figure 1:régime général de l’expérience de l’adsorption. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Direct analyse de l’efficacité de l’affichage RDRF. (A) Western blot avec anticorps RDRF spécifique. C + = gratuit RDRF purifié ; C - = un extrait de protéines de spores non adsorbés à la protéine ; P2/P5/P10 = protéines extraites des spores de b. subtilis adsorbés avec 2, 5 et 10 mg de RDRF, respectivement. (B) la microscopie des spores adsorbées par Immunofluorescence. Immunoreactions ont été réalisées avec un anticorps primaire reconnaissant la protéine adsorbée et un anticorps secondaire fluorescent conjugué avec l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC). Le panneau de gauche montre la fluorescence rouge RDRF intrinsèque, que le panneau de droite montre la fluorescence verte d’anticorps secondaire conjugué FITC. (C) analyse d’écoulement par cytométrie en flux de spores adsorbés. Les spores ont réagi avec les anticorps spécifiques RDRF et anticorps secondaires conjugué FITC et, ensuite, ont été analysés par cytofluorimetry. L’analyse a été réalisée sur la population entière de spore (10 000 événements, non vannés). Dans le panneau gauche, spores non-adsorbés sont indiquées dans des spores noires RDRF-adsorbés en rouge. Le panneau de droite montre l’intrigue de point de diffusion vers l’avant et latéraux (FSC-SSC). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3: manuelle quantification du signal fluorescent par ImageJ. Une image de microscope de fluorescence des spores, adsorbé avec la protéine fluorescente rouge RDRF, analysée avec le logiciel ImageJ. Un cercle jaune a été établi autour d’une spore pour obtenir des données densitométriques (image agrandie). La boîte de popup montre les résultats de l’analyse densitométrique de la spore sélectionnée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4: la quantification simultanée du signal fluorescent par ImageJ. (A) boîte contextuelle obtenue lorsque vous sélectionnez Analyser les particules. Une valeur d’intervalle de 50 à 200 pixels ^ 2 doit être réglé pour spores23. (B) Segmentation de l’image de la Figure 3A après avoir utilisé l' Analyse de particules (à gauche) et les résultats de l’analyse densitométrique relative (à droite). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5: Dot blot analyse densitométrique. (A) Dot blot avec des dilutions de le RDRF purifiée en deux exemplaires (Std1 et Std2) et le surnageant (S10, S5 et S2) de la réaction d’adsorption avec 10, 5 et 2 µg de RDRF, respectivement23. (B), le dot blot de panneau A est utilisé pour l’analyse densitométrique. Les cercles indiquent la zone utilisée pour quantifier la densité des signaux. Le panneau sur la droite indique un exemple des résultats obtenus avec l’analyse densitométrique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6: Conversion de xylane par spores réutilisables. (A) le régime général de dégradation de xylane. (B) Spores affichant la xylanase ou les enzymes de β-xylosidase, lorsqu’il est mélangé ensemble, catalysent la dégradation en deux étapes de xylane. Après la réaction, l’échantillon est fractionné par centrifugation. Le surnageant contient le produit de la réaction, tandis que le culot contient des enzymes liées aux spores qui peuvent être réutilisés en ajoutant le substrat frais. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Ce protocole d’adsorption de spore est très simple et intuitive. La réaction est strictement dépendante du pH de la mémoire tampon de réaction et l’efficacité d’adsorption est optimale lorsque le pH acide (pH 5,0 ou plus bas). À des conditions de pH neutre, l’efficacité d’adsorption est faible, et à un pH alcalin, adsorption ne peut survenir. Adsorption optimale est obtenue en utilisant un volume de 200 µL dans des tubes de 1,5 mL (ou garder un ratio similaire) sur un agitateur basculant.
L’adsorption est très serrée, et lavages avec un tampon à pH même de la mémoire tampon de réaction ne causent pas de toute libération des protéines adsorbés. Lavages avec tampons alcalins peuvent entraîner un minimum (généralement moins de 15 %26) version de la protéine adsorbée.
L’évaluation indirecte de l’efficacité d’adsorption par dot-blot est fiable si plusieurs dilutions de protéine purifiée et indépendante sont analysées et l’analyse densitométrique est correctement réalisée. Aucun signe de dégradation des protéines hétérologues n’a été rapporté25. L’évaluation directe de l’efficacité d’adsorption dépend grandement de la protéine qui est adsorbée. Si la protéine est auto-fluorescente ou fluorescent étiqueté, une analyse assistée par ImageJ fournit une détermination quantitative de la fluorescence et des quantités de molécules fluorescentes présente sur les spores. Si la protéine possède une activité enzymatique, un dosage enzymatique spécifique pourrait fournir une indication des quantités de protéine présente sur les spores. Cependant, on sait que l’activité enzymatique liée à spores peut être augmentée par un effet de stabilisation en raison de l’interaction avec la spore13. Si la protéine adsorbée n’est pas fluorescente et n’est pas une activité enzymatique, l’efficacité d’adsorption peut être évaluée par dot-blot sur les spores extorquées dans des conditions drastiques.
Une collection de spores utilisés peut être faite par une procédure très simple. Une étape de lavage avec le tampon de réaction peut être importante d’éliminer les sous-produits de la réaction, tandis que l’addition du substrat frais est essentielle d’initier une nouvelle réaction21.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par « Finanziamento di Ricerca di Ateneo » à L. Baccigalupi, titre du projet « SP-LAY : des spores bactériennes platefrome direct pour l’affichage des protéines ».
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.1% Poly-L-lysine solution | Sigma | P8920 | |
0.45 µm Nitrocellulose Blotting Membrane | Sartorius | M_Blotting_Membranes | |
100× objective UPlanF1 | Olympus | microscope equipment | |
Bacillus subtilis strain NCIB3610 | Bacillus Genetic Stock Center | 3A1 | |
BD ACCURI C6 PLUS | BD | flow cytometer | |
BX51 | Olympus | Fluorescent microscope | |
Clarity | Biorad | 1705060 | |
DP70 digital camera a | Olympus | microscope equipment | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, FITC | Thermo fisher | F-2754 | |
Goat Anti-Rabbit IgG H&L (HRP) | Abcam | ab6721 | |
Monoclonal Anti-polyHistidine−Peroxidase antibody | Sigma | A7058-1VL | used to detect adsorbed proteins presenting a 6xhistidine-tag at C- or N- terminal |
SecureSlip glass coverslip | Sigma | S1815-1PAK | |
Superwhite Uncharged Microscope Slides | VWR | 75836-190 | |
U-CA Magnification Changer | Olympus | microscope equipment |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon