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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine detaillierte, schrittweise Anleitung für die Montage von Multi-Gen-Konstrukten mit dem modularen Klonsystem auf Basis des Golden Gate Klonens bereitzustellen. Es gibt auch Empfehlungen zu kritischen Schritten, um eine optimale Montage auf der Grundlage unserer Erfahrungen zu gewährleisten.
Die Golden Gate Klonmethode ermöglicht die schnelle Montage mehrerer Gene in jeder benutzerdefinierten Anordnung. Es verwendet Typ IIS-Restriktionsenzyme, die außerhalb ihrer Erkennungsstellen schneiden und einen kurzen Überhang erzeugen. Dieses modulare Klonsystem (MoClo) verwendet einen hierarchischen Workflow, in dem verschiedene DNA-Teile wie Promotoren, Codierungssequenzen (CDS) und Terminatoren zunächst in einen Eintragsvektor geklont werden. Mehrere Eintragsvektoren werden dann zu Transkriptionseinheiten zusammengesetzt. Mehrere Transkriptionseinheiten verbinden sich dann mit einem Multigen-Plasmid. Die Golden Gate Klonstrategie ist von enormem Vorteil, da sie eine narbenlose, richtungsweisende und modulare Montage in einer Ein-Topf-Reaktion ermöglicht. Der hierarchische Workflow ermöglicht in der Regel das einfache Klonen einer Vielzahl von Multigenkonstrukten, ohne dass eine Sequenzierung über Eingabevektoren hinaus erforderlich ist. Die Verwendung von fluoreszierenden Proteinaussetzern ermöglicht ein einfaches visuelles Screening. Diese Arbeit bietet ein detailliertes, schrittweises Protokoll für die Zusammenstellung von Multi-Gen-Plasmiden mit dem Hefe-Modul-Klonen (MoClo) Kit. Wir zeigen optimale und suboptimale Ergebnisse der Multi-Gen-Plasmid-Montage und bieten eine Anleitung für das Screening auf Kolonien. Diese Klonstrategie ist hochanwendbar für Hefestoffwechseltechnik und andere Situationen, in denen Multi-Gen-Plasmid-Klonen erforderlich ist.
Synthetische Biologie zielt darauf ab, biologische Systeme mit neuen Funktionalitäten zu entwickeln, die für die pharmazeutische, landwirtschaftliche und chemische Industrie nützlich sind. Die Zusammenstellung einer großen Anzahl von DNA-Fragmenten auf hochdurchsatzweise ist eine grundlegende Technologie in der synthetischen Biologie. Solch ein komplizierter Prozess kann in mehrere Ebenen mit abnehmender Komplexität zerbrechen, ein Konzept, das aus den grundlegenden Ingenieurwissenschaftenentlehntist 1,2. In der synthetischen Biologie fügen sich DNA-Fragmente in der Regel hierarchisch auf der Grundlage der Funktionalität zusammen: (i) Bauteilebene: "Teile" bezieht sich auf DNA-Fragmente mit einer bestimmten Funktion, wie z. B. einem Promotor, einer Codierungssequenz, einem Terminator, einem Ursprung der Replikation; ii) Transkriptionseinheiten (TU) Ebene: eine TU besteht aus einem Promotor, einer Kodierungssequenz und einem Terminator, der in der Lage ist, ein einzelnes Gen zu transkribieren; (iii) Multigen-Niveau: Ein Multigen-Plasmid enthält mehrere TUs, die häufig aus einem gesamten Stoffwechselweg bestehen. Diese hierarchische Montage, die von der BioBrick-Community entwickelt wurde, ist das grundlegende Konzept für die Montage großer DNAs-Sets in der Synthetischen Biologie3.
In den letzten zehn Jahren4,5,6,7, hat die Golden Gate Klontechnik die hierarchische DNA-Montage erheblich erleichtert2. Viele andere mehrteilige Klonverfahren, wie Gibson Klonen8, ligationsunabhängiges Klonen (SLIC)9, uracil Exzision-basiertes Klonen (USER)10, die Ligase-Cycling-Reaktion (LCR)11und die in vivo-Rekombination (DNA Assembler)12,13, wurden bisher entwickelt. Aber Golden Gate Klonen ist eine ideale DNA-Montagemethode, da es unabhängig von genspezifischen Sequenzen ist und eine narbenlose, gerichtete und modulare Montage in einer Ein-Topf-Reaktion ermöglicht. Golden Gate Klonen nutzt Typ IIS-Restriktionsenzyme, die eine nicht-palindromische Sequenz erkennen, um gestaffelte Überhänge außerhalb der Erkennungsstelle2zu erzeugen. Ein Ligase schließt sich dann den geglühten DNA-Fragmenten an, um eine mehrteilige Baugruppe zu erhalten. Die Anwendung dieser Klonstrategie auf das modulare Klonsystem (MoClo) hat die Zusammenstellung von bis zu 10 DNA-Fragmenten mit über 90% transformierten Transformationsmitteln ermöglicht, die das richtig montierte Konstrukt4enthalten.
Das MoClo-System bietet enorme Vorteile, die den Design-Build-Test-Zyklus der synthetischen Biologie beschleunigt haben. Erstens ermöglichen die austauschbaren Teile das kombinatorische Klonen, um einen großen Parameterraum schnell zu testen. Zum Beispiel erfordert die Optimierung eines Stoffwechselwegs in der Regel radfahren durch viele Promotoren für jedes Gen, um den Pfadfluss auszugleichen. Das MoClo-System kann solche anspruchsvollen Klonaufgaben problemlos bewältigen. Zweitens muss man das Teilplasmid sequenzieren, aber in der Regel nicht die TU oder die Multi-Gen-Plasmide. In den meisten Fällen reicht ein Screening nach Kolonie-PCR oder Restriktionsverdauung für die Überprüfung auf TU- und Multigen-Plasmid-Ebene aus. Dies liegt daran, dass das Klonen des Teilplasmids der einzige Schritt ist, der PCR erfordert, was häufig Mutationen einführt. Drittens ist das MoClo-System ideal für den Aufbau von multigenkomplexen Stoffwechselwegen. Schließlich können die Teilplasmide aufgrund der universellen Überhänge wiederverwendet und mit der gesamten Bioengineering-Community geteilt werden. Derzeit sind MoClo Kits für Pflanzen14,15,5,16,17, Pilze6,18,19,20,21,22, Bakterien7,23,24,25,26,27, und Tiere28,29. Eine Multi-Königreich MoClo Plattform wurde auch vor kurzemeingeführt 30.
Für Saccharomyces cerevisiaehaben Lee et al.6 ein vielseitiges MoClo Toolkit entwickelt, eine ausgezeichnete Ressource für die Gemeinschaft der synthetischen Hefebiologie. Dieses Kit ist in einem praktischen 96-Well-Format erhältlich und definiert acht Arten austauschbarer DNA-Teile mit einer vielfältigen Sammlung von gut charakterisierten Promotoren, fluoreszierenden Proteinen, Terminatoren, Peptid-Tags, Selektionsmarkern, Herkunft der Replikation und Genombearbeitungswerkzeugen. Dieses Toolkit ermöglicht die Zusammenstellung von bis zu fünf Transkriptionseinheiten in ein Multi-Gen-Plasmid. Diese Eigenschaften sind wertvoll für Hefe-Stoffwechsel-Engineering, in dem teilweise oder ganze Wege überexprimiert werden, um gezielte Chemikalien zu produzieren. Mit diesem Kit, Forscher haben die Produktion von Geraniol optimiert, Linalool31, Penicillin32, Muconic Säure33, Indigo34, und Betalain35 in Hefe.
Hier stellen wir ein detailliertes, Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Verfügung, das die Verwendung des MoClo-Toolkits zur Erzeugung von Multigen-Signalpfaden für episomale oder genomische Expressionen leitet. Durch den umfangreichen Einsatz dieses Kits haben wir festgestellt, dass die genaue Messung von DNA-Konzentrationen der Schlüssel ist, um die Äquimolarverteilung jedes Teils in der Golden Gate-Reaktion sicherzustellen. Wir empfehlen auch die T4 DNA Ligase über die T7 DNA Ligase, weil erstere besser funktioniert mit einer größeren Anzahl von Überhängen36. Schließlich müssen alle internen Erkennungsstellen von BsmBI und BsaI vor der Montage entfernt oder domestiziert werden. Alternativ kann man erwägen, Teile zu synthetisieren, um mehrere interne Sites zu entfernen und gleichzeitige Codon-Optimierung zu erreichen. Wir zeigen, wie dieses Toolkit verwendet wird, indem wir einen Fünf-Gen-Weg für die β-Carotin- und Lycopinproduktion in S. cerevisiae exemiten. Wir zeigen weiter, wie man den ADE2-Lokus mit den Genom-Editing-Tools aus diesem Kit ausschaltet. Diese farbbasierten Experimente wurden für eine einfache Visualisierung ausgewählt. Wir zeigen auch, wie Fusionsproteine erzeugt und Aminosäuremutationen mit Golden Gate Klonen erzeugt werden.
HINWEIS: Das hierarchische Klonprotokoll, das in diesem Toolkit angeboten wird, kann in drei Hauptschritte unterteilt werden: 1. Klonen von Teilplasmiden; 2. Klontranskriptionseinheiten (TUs); 3. Klonen von Multigenplasmiden (Abbildung 1). Dieses Protokoll beginnt mit dem Primer-Design und endet mit Anwendungen des geklonten Multi-Gen-Plasmids.
1. Primer-Design zum Klonen des Teilplasmids (pYTK001):
2. Klonen von Teilen in den Eintragsvektor (pYTK001), um Teilplasmide zu erstellen (Abbildung 2B)
3. Zusammenstellung von Teilplasmiden zu "Kassetten"-Plasmiden
HINWEIS: Ein Kassettenplasmid enthält eine benutzerdefinierte Transkriptionseinheit (TU), die aus einem Promotor, einem CDS und einem Terminator besteht. Ein Kassettenplasmid ermöglicht die Expression eines einzelnen Gens. Wenn die Kassettenplasmide zu einem Multi-Gen-Plasmid zusammengesetzt werden, dann ist der erste Schritt, die Anzahl und die Reihenfolge der TUs im Multi-Gen-Plasmid zu bestimmen. Diese bestimmen, welche Steckverbinder in den Kassettenplasmiden verwendet werden sollen, da Steckverbinder TUs im Multigen-Plasmid verbinden. Der linke Stecker der ersten TU sollte ConLS sein, und der rechte Stecker der letzten TU sollte ConRE sein. Sie überschneiden sich mit ConLS' und ConRE' von Multi-Gen-Plasmiden. Der Rest der Steckverbinder sollte in der zunehmenden numerischen Reihenfolge sein. Wenn das Multigen-Plasmid beispielsweise vier TUs enthält, wären die Steckverbinderkombinationen ConLS-TU1-ConR1, ConL1-TU2-ConR2, ConL2-TU3-ConR3 und ConL3-TU4-ConRE (Abbildung 1).
4. Zusammenstellung von Kassettenplasmiden zu "Multigen"-Plasmiden:
HINWEIS: Multi-Gen-Plasmide ermöglichen die Expression von mehr als einem Gen. Je nach nachgeschalteter Anwendung könnten Multigenplasmide replizierend oder integrativ sein. Replicative Plasmide haben den Hefeursprung der Replikation; Daher kann es stabil beibehalten werden, wenn Hefezelle teilt. Integrative Plasmide haben nicht den Hefeursprung der Replikation. Stattdessen haben sie 5' und 3' Homologiearme, die die Integration mehrerer Gene in spezifische Loci des Genoms durch homologe Rekombination ermöglichen.
5. Anwendung von Multigenplasmiden für chromosomale oder plasmidbasierte Genexpression
Hier die Ergebnisse von vier replizierenden Multigenplasmiden zur β-Carotin (gelb) und Lycopin (rot). Es wurde ein integratives Multigen-Plasmid zur Störung des ADE2-Lokus konstruiert, dessen Kolonien rot sind.
Klonen von CDS in den Eintragsvektor (pYTK001)
ERG20 wurde aus dem Hefegenom und den drei Carotinoidgenen crtE, crtYB, crtI aus dem Plasmid pLM494
Das von Lee et al. entwickelte MoClo-basierte Klonkit bietet eine hervorragende Ressource für die schnelle Montage von ein bis fünf Transkriptionseinheiten in ein Multi-Gen-Plasmid, entweder für die Replikation oder Integration in das Hefegenom. Die Verwendung dieses Kits eliminiert den zeitaufwändigen Klonengpass, der häufig für die Exklamierung mehrerer Gene in Hefe besteht.
Wir haben fünf verschiedene Bedingungen für die Verdauungs-/Ligationszyklen des Golden Gate Klonens mit T4 DNA...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Diese Arbeit wurde von der Research Foundation for the State University of New York (Preis Nr. 71272) und dem IMPACT Award der University at Buffalo (Preis Nr.: 000077) finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5 mm Glass beads | RPI research products | 9831 | For lysing yeast cells |
Bacto Agar | BD & Company | 214010 | Component of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
Bacto Peptone | BD& Company | 211677 | Component of the yeast extract peptone dextrose medium (YPD) |
BsaI-HFv2 | New England Biolabs | R3733S | a highly efficient version of BsaI restriction enzyme |
Carbenicillin | Fisher Bioreagents | 4800-94-6 | Antibiotic for screening at the transcription unit level |
Chloramphenicol | Fisher Bioreagents | 56-75-7 | Antibiotic for screening at the entry vector level |
CSM-His | Sunrise Sciences | 1006-010 | Amino acid supplement of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
Dextrose | Fisher Chemical | D16-500 | Carbon source of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
Difco Yeast Nitrogen Base w/o Amino Acids | BD & Company | 291940 | Nitrogen source of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
dNTP mix | Promega | U1515 | dNTPs for PCR |
Esp3I | New England Biolabs | R0734S | a highly efficient isoschizomer of BsmBI |
Frozen-EZ Yeast Trasformation II Kit | Zymo Research | T2001 | For yeast transformation |
Hexanes | Fisher Chemical | H302-1 | For carotenoid extraction from yeast cells |
Kanamycin | Fisher Bioreagents | 25389-94-0 | Antibiotic for screening at the multigene plasmid level |
LB Agar, Miller | Fisher Bioreagents | BP1425-2 | Lysogenic agar medium for E. coli culturing |
LB Broth, Miller | Fisher Bioreagents | BP1426-2 | Lysogenic liquid medium for E. coli culturing |
Lycopene | Cayman chemicals | NC1142173 | For lycopene quantification |
MoClo YTK | Addgene | 1000000061 | Depositing Lab: John Deuber |
Monarch Plasmid Miniprep Kit | New England Biolabs | T1010L | For plasmid purification from E.coli |
Nanodrop Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND2000c | For measuring accurate DNA concentrations |
NotI-HF | New England Biolabs | R3189S | Restriction enzyme for integrative multigene plasmid linearization |
Nourseothricin Sulphate | Goldbio | N-500-100 | Antibiotic Selection marker for the pCAS plasmid used in this study |
Phusion HF reaction Buffer (5X) | New England Biolabs | B0518S | Buffer for PCR using Phusion polymerase |
Phusion High Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530S | High fidelity polymerase for all the PCR reactions |
pLM494 | Addgene | 100539 | Plasmid used to amplify crtI, crtYB and crtE used in this study |
Quartz Cuvette | Thermo Electron | 10050801 | For quantifing carotenoids |
T4 ligase | New England Biolabs | M0202S | Ligase for Golden Gate cloning |
Thermocycler | BIO-RAD | 1851148 | For performing all the PCR and cloning reactions |
Tissue Homogenizer | Bullet Blender | Model: BBX24 | For homogenization of yeast cells |
UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Scientific | Genesys 150 | For quantifing carotenoids |
Yeast Extract | Fisher Bioreagents | BP1422-500 | Component of the yeast extract peptone dextrose medium (YPD) |
β-carotene | Alfa Aesar | AAH6010603 | For β-carotene quantification |
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