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* 这些作者具有相同的贡献
这里介绍的是用于制备和缓冲液校准大 肠杆菌 BL21 Rosetta2(ΔrecBCD 和 ΔrecB)核酸外切酶 V 敲除菌株细胞提取物的方案。这是一种使用线性DNA模板在无细胞蛋白质合成系统中表达的快速、简单和直接的方法。
无细胞蛋白质合成(CFPS)由于其众多优点,最近在合成生物学领域变得非常流行。使用用于CFPS的线性DNA模板将进一步使该技术充分发挥其潜力,通过消除克隆,转化和质粒提取步骤来减少实验时间。线性DNA可以通过PCR快速轻松地扩增以获得高浓度的模板,避免潜在的 体内 表达毒性。然而,线性DNA模板被天然存在于细胞提取物中的核酸外切酶迅速降解。已经提出了几种策略来解决这个问题,例如添加核酸酶抑制剂或对线性DNA末端进行化学修饰以保护。所有这些策略都需要额外的时间和资源,并且尚未获得接近质粒水平的蛋白质表达。本文介绍了使用线性DNA模板进行CFPS的替代策略的详细方案。通过使用来自核酸外切酶缺陷敲除细胞的细胞提取物,线性DNA模板保持完整,无需任何末端修饰。我们介绍了来自 大肠杆菌 BL21 Rosetta2 ΔrecBCD 菌株的细胞裂解物的制备步骤,通过超声裂解和缓冲液校准专门用于线性DNA的Mg-谷氨酸(Mg-glu)和K-谷氨酸(K-glu)。该方法能够达到与 大肠杆菌 CFPS中质粒DNA相当的蛋白质表达水平。
无细胞蛋白质合成 (CFPS) 系统越来越多地被用作生物传感器工程、分散制造和遗传电路原型设计的快速、简单和高效的方法1。由于其巨大的潜力,CFPS系统经常用于合成生物学领域。然而,到目前为止,CFPS系统依赖于环状质粒,这可能会限制该技术充分发挥其潜力。质粒DNA的制备取决于克隆过程中许多耗时的步骤和大量的DNA分离。另一方面,质粒或合成的DNA模板的PCR扩增可用于在几个小时内简单地制备CFPS模板2,3。因此,线性DNA的应用为CFPS提供了有希望的解决方案。然而,线性DNA被天然存在于细胞提取物中的核酸外切酶迅速降解4。有一些解决方案可以解决这个问题,例如使用λ噬菌体GamS蛋白5或含有Chi位点6的DNA作为保护剂,或通过对其末端2,7,8,9进行化学修饰直接保护线性DNA。所有这些方法都需要补充细胞提取物,这是昂贵且耗时的。人们早就知道核酸外切酶V复合物(RecBCD)降解细胞裂解物中的线性DNA4。最近,我们发现线性DNA在核酸外切酶基因(recBCD)敲除细胞的裂解物中可以得到更好的保护10。
在该协议中,详细描述了通过超声裂解从 大肠杆菌 BL21 Rosetta2 ΔrecBCD 菌株制备无细胞裂解物的步骤。超声裂解是几个实验室采用的常见且经济实惠的技术11,12。该菌株产生的提取物不需要添加任何额外的组分或DNA模板修饰来支持线性DNA模板的表达。该方法依赖于细胞提取物缓冲液优化的基本步骤,专门针对天然 大肠杆菌 启动子的线性DNA表达。已经表明,这种针对线性DNA表达的特异性缓冲液优化是天然σ70启动子在没有补充GamS蛋白或Chi DNA的情况下产生高蛋白产量的关键,即使避免了PCR产物的纯化10。发现线性DNA表达的最佳Mg-glu浓度与质粒DNA相似。然而,K-glu的最佳浓度显示线性DNA和质粒DNA之间存在显着差异,这可能是由于转录相关机制10。使用该方法表达的蛋白质的功能已在多种应用中得到证明,例如快速筛选脚趾开关和酶变体的活性评估10。
该协议提供了一种简单,高效且具有成本效益的解决方案,只需使用突变的ΔrecBCD细胞提取物和线性DNA的特异性校准作为模板,即可在大肠杆菌无细胞系统中使用线性DNA模板。
1. 培养基和缓冲液制备
2. 细胞培养和裂解物制备(4天实验)
3. 线性DNA的无细胞缓冲液校准
注意:将无细胞缓冲液校准为最佳Mg-glu和K-glu浓度,如Sun等人13中所述。校准步骤需要 补充文件 1 。将反应设置为每次反应的最终体积为10.5 μL。使用1 nM线性(见下文第4节)或质粒DNA校准提取物。实验可以在制备缓冲液的同一天进行,也可以将制备的缓冲液冷冻在-80°C以在另一天进行实验。对于所有校准步骤,在混合并移液到384孔板之前,将每个组分在冰上解冻。
4. 线性DNA制备
注意:对于裂解物校准,使用质粒P70a-deGFP。将该质粒保存在大肠杆菌KL740 cl857+(表6)中,用于使用质粒小型制备试剂盒进行小型制备,或使用最大质粒试剂盒进行maxiprep。使用表7和表8中列出的引物和模板对在无细胞反应中用作表达模板的线性DNA片段进行PCR扩增。
5. 实验执行
注意:除了使用 补充文件1校准制备的每个裂解物批次的缓冲液储备液(上文)外,建议使用文件中的"反应制备"选项卡来设置后续的无细胞反应。与以前一样,每次反应的反应体积设置为10.5 μL,其中只有10 μL最终移液到384孔板中进行数据采集。在这里,每个模板的5 nM用于无细胞表达。移液反应时保持一致很重要 - 使用相同的移液器和吸头类型。小心分配,以避免孔中的任何气泡或任何液体粘在井壁上。如果需要,旋转板(<2,500 x g ,1分钟,室温)。
6. FITC与GFP的相对量化
注意:GFP表达由酶标仪以任意荧光单位(a.u.)导出。但是,建议使用标准化的测量单位来比较不同设置(批次、设备、用户和实验室)之间的荧光值。这里介绍的是使用NIST-FITC和重组eGFP的标准曲线将荧光值(a.u.)转换为FITC等效值和eGFP(μM)值的详细步骤。将NIST-FITC储备溶液储存在4°C,并将重组eGFP储存在-20°C。 确保储备溶液和连续稀释液避光。交付时,建议将重组eGFP等分到较小的体积中,以避免多次冻融循环。
此处显示了裂解物的代表性结果,分别针对线性和质粒DNA获得最佳Mg-谷氨酸和K-谷氨酸水平(图1)。ΔrecB 和 ΔrecBCD 提取物在 8 mM 时的 Mg-谷氨酸最佳浓度相似(图 1B)。然而,质粒DNA的最佳K-谷氨酸浓度为140mM,而同一提取物的线性DNA的最佳K-谷氨酸浓度为20mM(图1C)。在WT和ΔrecBCD 细胞提取物中GFP表达的比较?...
在这里,我们表明由大肠杆菌BL21 Rosetta2制备的细胞裂解物具有recB或recBCD操纵子的基因组敲除,支持来自线性DNA模板的高蛋白表达。该协议详细阐述了特定于线性DNA模板的分步裂解物校准程序(图2),这是导致线性DNA中σ70启动子高表达的关键步骤,达到等摩尔DNA浓度的接近质粒水平。该协议强调了根据最终应用中使用的DNA(线性或质粒)类型进行缓冲液...
没有
ACB和JLF承认ANR SINAPUV赠款(ANR-17-CE07-0046)的资金支持。JLF和JB承认ANR SynBioDiag拨款(ANR-18-CE33-0015)的资金支持。MSA和JLF承认ANR iCFree拨款(ANR-20-BiopNSE)的资金支持。JB承认ERC的支持,从"COMPUCELL"(授权号657579)开始。生物化学结构中心感谢法国综合结构生物学基础设施(FRISBI)(ANR-10-INSB-05-01)的支持。MK感谢INRAe的MICA部门,巴黎萨克雷大学,法兰西岛(IdF)地区的DIM-RFSI和ANR DREAMY(ANR-21-CE48-003)的资金支持。这项工作得到了欧洲研究理事会整合者奖(CLB 865973)的资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-YT Broth | Invitrogen | 22712020 | |
1.5 mL Safe-Lock tubes | Eppendorf | 30120086 | 1.5 mL microtube |
384-well square-bottom microplate | Thermo Scientific Nunc | 142761 | |
3PGA (D-(-)-3-Phosphoglyceric acid disodium) | Sigma-Aldrich | P8877 | |
adhesive plate seal | Thermo Scientific Nunc | 232701 | |
Agar | Invitrogen | 30391023 | |
ATP (Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate) | Sigma-Aldrich | A8937 | |
BL21 Rosetta2 | Merck Millipore | 71402 | |
BL21 Rosetta2 ΔrecB | Addgene | 176582 | |
BL21 Rosetta2 ΔrecBCD | Addgene | 176583 | |
cAMP (Adenosine 3' 5'-cyclic monophosphate) | Sigma-Aldrich | A9501 | |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378 | |
CoA (Coenzyme A hydrate) | Sigma-Aldrich | C4282 | |
Corning 15 mL PP Centrifuge Tubes, Rack Packed with CentriStar Cap, Sterile | Corning | 430790 | 15 mL tube |
Corning 50 mL PP Centrifuge Tubes, Conical Bottom with CentriStar Cap, Sterile | Corning | 430828 | 50 mL tube |
CTP (Cytidine 5'-triphosphate, disodium salt hydrate) | Alfa Aesar | J62238 | |
DpnI | NEB | R0176S | |
DTT (DL-Dithiothreitol) | Sigma-Aldrich | D0632 | |
Folinic acid (solid folinic acid calcium salt) | Sigma-Aldrich | F7878 | |
GTP (Guanosine 5ʹ-Triphosphate, Disodium Salt) | Sigma-Aldrich | 371701 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
K phosphate dibasic (K2HPO4) | Carl Roth | 231-834-5 | |
K phosphate monobasic (H2KO4P) | Sigma-Aldrich | P5655 | |
K-glutamate | Alfa Aesar | A17232 | |
Mg-glutamate | Sigma-Aldrich | 49605 | |
Millex-GP Syringe Filter Unit, 0.22 µm, polyethersulfone | Merck Millipore | SLGP033RB | membrane filter 0.22 µm |
Monarch PCR & DNA Cleanup Kit | NEB | T1030S | PCR & DNA cleanup Kit |
Monarch Plasmid Miniprep Kit | NEB | T1010S | Plasmid Miniprep Kit |
NAD (B-nicotinamide adenine dinucleotide hydrate) | Sigma-Aldrich | N6522 | |
NIST-traceable FITC standard | Invitrogen | F36915 | NIST-FITC |
NucleoBond Xtra Maxi kit | Macherey-Nagel | 740414.1 | Plasmid Maxiprep Kit |
PEG 8000 | Sigma-Aldrich | 89510 | |
plate reader | Biotek | Synergy HTX | |
Purified Recombinant EGFP Protein | Chromotek | egfp-250 | recombinant eGFP |
Q5 High-Fidelity 2X Master Mix | NEB | M0492S | DNA polymerase |
Q5 High-Fidelity 2X Master Mix | New England Biolabs | M0492L | DNA polymerase |
Qubit dsDNA BR Assay Kit | Thermo | Q32850 | fluorometric assay with DNA-binding dye |
RTS Amino Acid Sampler | biotechrabbit | BR1401801 | |
Spermidine | Sigma-Aldrich | 85558 | |
Sterile water | Purified water from the Millipore RiOs 8 system, sterilized by autoclaving. | ||
Tris base | Life Science products Cytiva | 17-1321-01 | |
tRNA | Roche | 10109550001 | |
Ultrasonic processor Vibra cell VC-505 | SONICS | VC505 | sonicator |
UTP Na3 (Uridine 5'- triphosphate, trisodium salt hydrate) | Acros Organics | 226310010 | |
Water, nuclease-free | Thermo | R0581 | nuclease-free water |
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