Method Article
Bu çalışma, Escherichia coli'den (E. coli ) hücre ekstraktının hazırlanmasını ve ardından 24 saatten kısa sürede hücresiz protein sentezi (CFPS) reaksiyonlarını açıklamaktadır. Hücresiz otoindüksiyon (CFAI) protokolünün açıklaması, araştırmacı gözetimini azaltmak ve elde edilen hücre ekstraktı miktarlarını artırmak için yapılan iyileştirmeleri detaylandırmaktadır.
Hücresiz protein sentezi (CFPS), transkripsiyon ve çeviri makinelerini in vitro olarak yakalayan bir biyoteknoloji platformu olarak büyümüştür. Çok sayıda gelişme, CFPS platformunu yeni kullanıcılar için daha erişilebilir hale getirdi ve uygulama yelpazesini genişletti. Lisat bazlı CFPS sistemleri için, hücre ekstraktları çeşitli organizmalardan üretilebilir ve protein sentezini arttırmak için bu konağın benzersiz biyokimyasından yararlanılabilir. Son 20 yılda, Escherichia coli (E. coli), satın alınabilirliği ve çok yönlülüğü nedeniyle CFPS'yi desteklemek için en yaygın kullanılan organizmalardan biri haline gelmiştir. Çok sayıda önemli ilerlemeye rağmen, E. coli hücre ekstraktı hazırlama iş akışı, yeni kullanıcıların uygulamaları için CFPS'yi uygulamaları için uygulamaları için önemli bir darboğaz olmaya devam etmiştir. Ekstrakt hazırlama iş akışı zaman alıcıdır ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için teknik uzmanlık gerektirir. Bu engellerin üstesinden gelmek için, daha önce kullanıcı girdisini ve gerekli teknik uzmanlığı azaltan 24 saat hücresiz otomatik indüksiyon (CFAI) iş akışının geliştirildiğini bildirmiştik. CFAI iş akışı, hücre ekstraktları üretmek için gereken işçiliği ve teknik beceriyi en aza indirirken, elde edilen toplam hücre ekstresi miktarlarını da arttırır. Burada, erişimi iyileştirmek ve E. coli tabanlı CFPS'nin geniş kapsamlı uygulamasını desteklemek için bu iş akışını adım adım açıklıyoruz.
Biyoteknoloji uygulamaları için hücresiz protein sentezinin (CFPS) kullanımı son birkaç yılda önemli ölçüde artmıştır 1,2,3. Bu gelişme kısmen, CFPS'de meydana gelen süreçleri ve her bir bileşenin rolünü anlamada artan çabalara bağlanabilir 4,5. Ek olarak, optimize edilmiş kurulumlara ve alternatif enerji kaynaklarına atfedilen azaltılmış maliyetler, hücresiz teknolojinin yeni kullanıcılar için uygulanmasını kolaylaştırmıştır 6,7,8,9. Protein sentezi için gerekli transkripsiyon ve translasyon faktörlerini uygulamak için, hücre ekstresi genellikle hücresiz reaksiyonları yönlendirmek için kullanılır10. Son zamanlarda yayınlanan kullanım kılavuzları, işlevsel özüt üretmek için basit protokoller sağlamış ve1,11,12,13,14 gibi yeni ve deneyimli kullanıcılar için uygulamayı kolaylaştırmıştır. Hücre ekstraktı genellikle, istenen spesifik kullanıma bağlı olarak farklı organizmalar kullanılarak yetiştirilebilen bir hücre kültürünün lizisi yoluyla elde edilir 1,15,16.
Escherichia coli (E. coli) hızla fonksiyonel ekstraktlar üretmek için en yaygın kullanılan konakçı organizmalardan biri haline gelmiştir17. BL21 Star (DE3) suşu tercih edilir, çünkü proteazları dış zardan (OmpT proteaz) ve sitoplazmadan (Lon proteaz) uzaklaştırır ve rekombinant protein ekspresyonu için en uygun ortamı sağlar. Ek olarak, DE3, lacUV5 promotörünün kontrolü altında T7 RNA polimeraz (T7 RNAP) genini taşıyan λDE3'ü içerir; yıldız bileşeni, mRNA4,14,18,19'un bölünmesini önleyen mutasyona uğramış bir RNaseE geni içerir. LakUV5 promotörü altında, izopropil-tiyogalaktopiranosid (IPTG) indüksiyonu, T7 RNAP20,21'in ekspresyonuna izin verir. Bu suşlar, ekstrakt hazırlanması için hammadde veren hücrelerin büyümesi ve toplanması için kullanılır. Hücre lizisi, boncuk çırpma, Fransız presi, homojenizasyon, sonikasyon ve azot kavitasyonu1,11,12,22 dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılarak gerçekleştirilebilir.
Bakteri kültürü ve hasat süreci, E. coli kullanırken çoğu platformda tutarlıdır, ancak birkaç gün ve yoğun araştırmacı gözetimi gerektirir 1,11,13. Bu işlem genellikle LB suyunda bir gecede tohum kültürü ile başlar, bu da gece büyümesi üzerine ertesi gün daha büyük bir 2xYTPG kültürüne (maya, tripton, fosfat tamponu, glikoz) aşılanır. Bu daha büyük kültürün büyümesi, 2.5 14,20'lik bir optik yoğunlukta (OD) erken-orta log fazına ulaşana kadar izlenir. Transkripsiyon ve çeviri bileşenlerinin daha önce23,24 erken ve orta log fazında oldukça aktif olduğu gösterildiğinden sürekli ölçüm gereklidir. Bu işlem tekrarlanabilir ekstrakt oluşturabilse de, laboratuvarımız yakın zamanda araştırmacı gözetimini azaltan, belirli bir litre hücre kültürü için ekstraktın genel verimini artıran ve hem deneyimli hem de yeni kullanıcılar için E. coli bazlı ekstrakt preparatına erişimi artıran Hücresiz Otomatik İndüksiyon (CFAI) Ortamını kullanarak yeni bir yöntem geliştirmiştir (Şekil 1 ). Burada, CFAI iş akışını uygulamak için, çizgili bir hücre plakasından 24 saat içinde tamamlanmış bir CFPS reaksiyonuna geçmek için adım adım kılavuz sunuyoruz.
1. Medya büyümesi
2. Hücre hasadı
3. Ekstrakt hazırlama
4. Hücresiz protein sentezi
5. Muhabir proteininin miktarı, süper klasör yeşil floresan proteini (sfGFP)
CFAI ortamı hazırlanırken, glikoz, ortamdaki ana enerji substratı olarak laktoz ve gliseroldeki bir artış ile değiştirildi. Ek olarak, CFAI ortamının tamponlama kapasitesi de artırıldı. Bu özel bileşenler Tablo 1'de verilmiştir.
Hücreler daha sonra değişen ekstrakt miktarlarına rağmen ekstrakt kalitesiyle tutarlılık göstermek için hem OD600 / 10'a hem de CFAI ortamındaki standart 2.5'e büyütüldü. 2.5 OD600 CFAI ortamı, LB suyundaki bir tohum kültüründen 37 ° C, 200 rpm'de aşılandıktan sonra yetiştirilirken, OD600 10 kültürü doğrudan bir plakadan aşılandı. CFAI ortamının her partisi daha sonra kendi OD600'lerinde izlendi ve hasat edildi. 10'luk bir OD600'e büyüme, daha yüksek miktarda hücre peleti ve elde edilen genel ekstraktta bir artışa yol açtı, çünkü büyümeden elde edilen 2.10 mL ekstrakta karşı 2.5 OD 600'e kadar9.60 mL ekstrakt üretti (Şekil 2). Toplam protein konsantrasyonunun daha ileri analizi, her ekstrakttaki genel proteinde anlamlı bir fark göstermemiştir (Tablo 5). Farklı optik yoğunluk seviyelerine yetiştirilmiş olsalar da, her iki ekstrakt partisi de sfGFP kullanarak hücresiz reaksiyonlarda benzer sonuçlar göstermiştir (Şekil 3). Bu, artan tamponlama kapasitesinin, ana karbon kaynağı olarak laktoz ve gliserol kullanımının ve T7RNAP indüksiyonu için IPTG yerine laktoz uygulanmasının kombinasyonunun, ekstrakt büyümelerini 10'un altındaki herhangi bir OD600'e stabilize etmeye yardımcı olduğunu göstermektedir.
Otoklavlanmış CFAI Medya: | |
Bileşen | Miktar |
Sodyum Klorür | 5.0 gr |
Tripton | 20.0 gr |
Maya Ekstresi | 5.0 gr |
Potasyum Fosfat, monobazik | 6.0 gr |
Potasyum Fosfat, dibazik | 14.0 gr |
NanopureTM Su | Toplam 960 mL'ye kadar doldurma |
Filtre Sterilize Şeker Çözeltisi: | |
Bileşen | Miktar |
D-Glikoz | 0.50 gr |
D-Laktoz | 4.0 gr |
%80 v/v Gliserol | 7,5 mL |
NanopureTM Su | 28,0 mL |
Tablo 1: CFAI bileşenleri. CFAI ortam ve şeker çözeltileri için bileşenler ve ilgili miktarları. Ortam, her bir bileşenin eklenmesi boyunca karıştırılmalı ve şeker çözeltisi filtresi sterilize edilmelidir. Her çözelti, aşılamadan önce ayrı bir steril kaba eklenmelidir.
S30 Arabellek | |
Bileşen | Konsantrasyon |
Oda sıcaklığında Tris Asetat pH 8.2 | 10 mM |
Magnezyum Asetat | 14 mM |
Potasyum Asetat | 60 mM |
Ditiothreitol | 2 mM |
Tablo 2: S30 tampon bileşenleri: S30 tampon bileşenleri, steril 50 mL konik bir tüpe ilgili miktarlarıyla birlikte eklendi.
Parça | Miktar |
Çözüm A | 2,20 μL |
Çözüm B | 2,1 μL |
Hulâsa | 5 μL |
DNA Şablonu | 16 μg/mL son işlem için ses seviyesi |
Su | Toplam 15 μL'ye kadar doldurun |
Tablo 3: CFPS reaksiyon oranları: Çözüm A, Çözüm B ve ekstrakt için göreceli hacim yüzdeleri. DNA hacmi, spesifik plazmidin konsantrasyonuna bağlı olarak değişebilir ve kullanıcının kullanılan spesifik plazmidi için optimize edilmesi gerekebilir.
Çözüm A | Çözüm B | ||
Bileşen | Konsantrasyon | Bileşen | Konsantrasyon |
Atp | 1,2 mM | Magnezyum Glutamat | 10 mM |
GTP (İngilizce) | 0.850 mM | Amonyum Glutamat | 10 mM |
Utp | 0.850 mM | Potasyum Glutamat | 130 mM |
cesaret | 0.850 mM | Fosfoenolpiruvat (PEP) | 30 mM |
Folinik Asit | 31,50 μg/mL | L-Valin | 2 mM |
tRNA | 170,60 μg/mL | L-Triptofan | 2 mM |
Nikotinamid Adenin Dinükleotid (NAD) | 0,40 mM | L-İzolösin | 2 mM |
Koenzim A | 0,27 mM | L-Lösin | 2 mM |
Oksalik Asit | 4,00 mM | L-Sistein | 2 mM |
Putrescine | 1,00 mM | L-Metiyonin | 2 mM |
Spermidin | 1,50 mM | L-Alanin | 2 mM |
HEPES Tampon pH 7.5 | 57,33 milyon M | L-Arginin | 2 mM |
L-Asparajin | 2 mM | ||
L-Aspartik Asit | 2 mM | ||
L-Glutamik asit | 2 mM | ||
L-Glisin | 2 mM | ||
L-Glutamin | 2 mM | ||
L-Histidin | 2 mM | ||
L-Lizin | 2 mM | ||
L-Prolin | 2 mM | ||
L-Serin | 2 mM | ||
L-Treonin | 2 mM | ||
L-Fenilalanin | 2 mM | ||
L-Tirozin | 2 mM |
Tablo 4: Çözüm A ve B bileşenleri. Çözelti A ve B bileşenleri için stok konsantrasyonları, her biri 1,5 mL'lik bir mikrofüj tüpünde kendi miktarlarıyla birlikte eklenmiştir.
Hulâsa | Toplam Protein Konsantrasyonu (μg/mL) | Standart sapma |
2xYTPG 2,5 OD | 30617 | 3745 |
CFAI 2.5 OD | 30895 | 2254 |
CFAI 10.0 OD | 27905 | 3582 |
Tablo 5: Toplam ekstrakt protein verimi. Farklı hücre ekstresi büyümelerinin toplam proteininin analizi. Toplam protein konsantrasyonu Bradford Testi kullanılarak belirlendi. Her konsantrasyon, 1:40 seyreltme kullanılarak üçlü olarak belirlendi.
Şekil 1: CFAI'nin ve hücrelerden CFPS'ye tipik iş akışının karşılaştırılması: (A) CFAI iş akışı (sol, kırmızı) ile (B) önceden belirlenmiş yöntem (yeşil, sağ) kullanılarak hücrelerden CFPS'ye genel zaman çizelgesinin karşılaştırılması. Karşılaştırma, CFAI iş akışını kullanarak CFPS gerçekleştirirken azaltılmış araştırmacı gözetimini ve zaman çizelgesini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: CFAI pelet boyutu karşılaştırması. Farklı OD600'de hücre hasadı sonrası CFAI ortam peletlerinin karşılaştırılması. 2.5'lik bir OD 600'e yetiştirilen medya, 2.23 g'lık bir hücre peleti (solda) üretti ve 10'un OD600'üne yetiştirilen medya, 9.49 g'lık bir hücre peleti (sağda) üretti. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Büyümenin CFPS reaksiyon verimleri üzerindeki etkileri . (A) CFPS reaksiyon verimlerinin 2,5 OD600 ve 10 OD600 arasındaki büyümeler arasında karşılaştırılması, (B) her CFPS reaksiyonunun görüntüleri kendi verimlerinin üzerindedir. Hücresiz reaksiyonlar 1.5 mL'lik bir mikrofüj tüpünde gerçekleştirildi ve floresanı sfGFP konsantrasyonuyla ilişkilendirmek için standart bir eğri kullanılarak 37 ° C'de 24 saatlik inkübasyondan sonra ölçüldü. "Negatif", hiçbir şablon DNA'nın eklenmediği negatif kontrol reaksiyonları kümesine karşılık gelir. Geleneksel 2xYTPG ortamı (pozitif kontrol) ve CFAI ekstraktları, yüksek CFPS verimleriyle gösterildiği gibi benzer kalitededir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Hücre büyümesi sırasında iki temel eylem için geleneksel olarak araştırmacı gözetimine ihtiyaç vardır: T7 RNAP'nin indüksiyonu ve belirli bir OD600'de hücrelerin toplanması. CFAI, araştırmacının zamanını ve yüksek kaliteli hücre ekstraktları hazırlamak için gereken teknik eğitimi azaltmak için bu gereksinimlerin her ikisini de ortadan kaldırır. T7 RNAP'nin otomatik indüksiyonu, glikozun ortamdaki birincil şeker olarak laktoz ile değiştirilmesi, büyümenin aktif olarak izlenmesi ve daha sonra hücre büyümesi sırasında kesin bir noktada IPTG ile indüklenmesi için önceki ihtiyacın ortadan kaldırılmasıyla elde edilir. Belirli bir OD600'de hasat yapmak için hücre kültürlerini aktif olarak izleme ihtiyacı da ortadan kalkar ve araştırmacıyı hücre kültüründen ayırır. Bu, geleneksel olmayan zamanlarda hasat edilen kaliteli ekstraktların üretimini de gösteren son çalışmalara katkıda bulunur 13,25,26. Yeni medya formülasyonu, hücre kültürü durağan faza yaklaşırken bile aktif enerji metabolizmasını desteklemek için tamponlama kapasitesini ve karbon kaynaklarını geliştirir. Yüksek OD600 kültürlerinden sağlam hücre ekstraktları elde etme kapasitesi, araştırmacının kültürleri kolaylıkla hasat etmesini sağlar27. Tercih ettiğimiz ve önerdiğimiz iş akışı, akşamları kültürü aşılamak ve ertesi sabah hasada geri dönmektir.
Daha yüksek bir OD600'de hücrelerin toplanması, ekstrakt hazırlığı için elde edilen önemli miktarda hücreye de neden olur. Deneyimli araştırmacılar için, hücre peletinin, 2.5'lik bir OD600'de hasat edildiğinde bile, 2xYTPG ortamında yetiştirilen hücrelere kıyasla çok daha koyu renkli olduğunu belirtmek gerekir. Tüm hücre peleti bir kerede işleniyorsa, sonikasyon yoluyla lizis gerçekleştirirken hücre peleti başına elde edilen büyük miktarda resüspansiyonun biraz zaman alacağına dikkat etmek de önemlidir. Bu nedenle, bu işlem sırasında tüm alikotları soğuk tutmak önemlidir11,13,14. Büyüme başına ekstrakt hacmindeki artış, maliyeti orantılı olarak düşürür ve biyo-üretim uygulamalarını destekler. Gösterilen iyileştirmelerle, CFAI iş akışı, hücresiz teknolojinin yeni ve deneyimli kullanıcıları için tekrarlanabilir, işlevsel E. coli özü üretmek için daha kolay bir protokol sağlar.
Sağlanan CFAI ortamının avantajlarına rağmen, bu yöntemin sınırlamaları vardır. Birincil zorluk, iş akışının yeni ortaya çıkan doğasıdır. Metabolomik analiz, CFAI OD600 10 ekstraktlarının yanı sıra reaksiyon ürünlerindeki 2xYTPG'ye kıyasla farklılıklara ışık tutmuş olsa da, bu farklılıkların spesifik uygulamalar üzerindeki etkileri karakterize edilmemiştir27. Ek olarak, bu iş akışı BL21 E. coli bazlı lizat için geliştirilmiştir. Medya yeniden formülasyonunun, E. coli 28,29'un genomik olarak yeniden kodlanmış suşları gibi diğer E. coli suşlarından sağlam ekstrakt preparatını destekleyip desteklemeyeceği belirsizdir. CFAI yaklaşımının diğer bakteriyel organizmalardan ekstraktlar üretmek için kullanılması mümkündür, ancak Çin Hamster Yumurtalık veya tavşan retikülosit gibi ökaryotik organizmalar için ekstrakt preparatını destekleme olasılığı düşüktür; ancak, bunların kendi yerleşik yöntemleri vardır30,31. CFAI iş akışının basitliğinin engelleri azaltacağını ve hücresiz topluluğu, CFPS'nin desteklediği geniş uygulama yelpazesi için faydasını karakterize etmeye ve değerlendirmeye teşvik edeceğini öngörüyoruz.
Yazarlar, rakip finansal çıkar çatışmalarına sahip olmadıklarını beyan ederler.
Yazarlar, teknik destek için Dr. Jennifer VanderKelen ve Andrea Laubscher'a teşekkür eder. Yazarlar ayrıca yararlı tartışmalar için Nicole Gregorio, Max Levine, Alissa Mullin, Byungcheol So, August Brookwell, Elizabeth (Lizzy) Voyvoda, Logan Burrington ve Jillian Kasman'a teşekkür eder. Yazarlar ayrıca Bill ve Linda Frost Fonu, Biyoteknoloji Uygulamaları Merkezi'nin Chevron Biyoteknoloji Uygulamalı Araştırma Bağış Bursu, Cal Poly Research, Bilimsel ve Ulusal Bilim Vakfı'ndan (NSF-1708919) finansman desteğini de kabul ediyor.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL Microfuge Tubes | Phenix | MPC-425Q | |
1L Centrifuge Tube | Beckman Coulter | A99028 | |
Avanti J-E Centrifuge | Beckman Coulter | 369001 | |
CoA | Sigma-Aldrich | C3144-25MG | |
Cytation 5 Cell Imaging Multi-Mode Reader | Biotek | BTCYT5F | |
D-Glucose | Fisher | D16-3 | |
D-Lactose | Alfa Aesar | J66376 | |
DTT | ThermoFisher | 15508013 | |
Folinic Acid | Sigma-Aldrich | F7878-100MG | |
Glycerol | Fisher | BP229-1 | |
Glycine | Sigma-Aldrich | G7126-100G | |
HEPES | ThermoFisher | 11344041 | |
IPTG | Sigma-Aldrich | I6758-1G | |
JLA-8.1000 Rotor | Beckman Coulter | 366754 | |
K(Glu) | Sigma-Aldrich | G1501-500G | |
K(OAc) | Sigma-Aldrich | P1190-1KG | |
KOH | Sigma-Aldrich | P5958-500G | |
L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627-100G | |
L-Arginine | Sigma-Aldrich | A8094-25G | |
L-Asparagine | Sigma-Aldrich | A0884-25G | |
L-Aspartic Acid | Sigma-Aldrich | A7219-100G | |
L-Cysteine | Sigma-Aldrich | C7352-25G | |
L-Glutamic Acid | Sigma-Aldrich | G1501-500G | |
L-Glutamine | Sigma-Aldrich | G3126-250G | |
L-Histadine | Sigma-Aldrich | H8000-25G | |
L-Isoleucine | Sigma-Aldrich | I2752-25G | |
L-Leucine | Sigma-Aldrich | L8000-25G | |
L-Lysine | Sigma-Aldrich | L5501-25G | |
L-Methionine | Sigma-Aldrich | M9625-25G | |
L-Phenylalanine | Sigma-Aldrich | P2126-100G | |
L-Proline | Sigma-Aldrich | P0380-100G | |
L-Serine | Sigma-Aldrich | S4500-100G | |
L-Threonine | Sigma-Aldrich | T8625-25G | |
L-Tryptophan | Sigma-Aldrich | T0254-25G | |
L-Tyrosine | Sigma-Aldrich | T3754-100G | |
Luria Broth | ThermoFisher | 12795027 | |
L-Valine | Sigma-Aldrich | V0500-25G | |
Mg(Glu)2 | Sigma-Aldrich | 49605-250G | |
Mg(OAc)2 | Sigma-Aldrich | M5661-250G | |
Microfuge 20 | Beckman Coulter | B30134 | |
Molecular Grade Water | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
NaCl | Alfa Aesar | A12313 | |
NAD | Sigma-Aldrich | N8535-15VL | |
New Brunswick Innova 42/42R Incubator | Eppendorf | M1335-0000 | |
NH4(Glu) | Sigma-Aldrich | 09689-250G | |
NTPs | ThermoFisher | R0481 | |
Oxalic Acid | Sigma-Aldrich | P0963-100G | |
PEP | Sigma-Aldrich | 860077-250MG | |
Potassium Phosphate Dibasic | Acros, Organics | A0382124 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Acros, Organics | A0379904 | |
PureLink HiPure Plasmid Prep Kit | ThermoFisher | K210007 | |
Putrescine | Sigma-Aldrich | D13208-25G | |
Spermidine | Sigma-Aldrich | S0266-5G | |
Tris(OAc) | Sigma-Aldrich | T6066-500G | |
tRNA | Sigma-Aldrich | 10109541001 | |
Tryptone | Fisher Bioreagents | 73049-73-7 | |
Tunair 2.5L Baffled Shake Flask | Sigma-Aldrich | Z710822 | |
Ultrasonic Processor | QSonica | Q125-230V/50HZ | |
Yeast Extract | Fisher Bioreagents | 1/2/8013 |
An erratum was issued for: From Cells to Cell-Free Protein Synthesis within 24 Hours using Cell-Free Autoinduction Workflow. The Authors section was updated.
The Authors section was updated from:
Philip E.J. Smith1,2, Taylor Slouka1,2, Javin P. Oza1,2
1Department of Chemistry and Biochemistry, California Polytechnic State University
2Center for Application in Biotechnology, California Polytechnic State University
to:
Philip E.J. Smith1,2, Taylor Slouka1,2, Mona Dabbas 1,2, Javin P. Oza1,2
1Department of Chemistry and Biochemistry, California Polytechnic State University
2Center for Application in Biotechnology, California Polytechnic State University
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır