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Method Article
El extracto traslacional de Leishmania (LTE) es un sistema de expresión de proteínas eucariotas libres de células derivado del parásito unicelular, Leishmania tarentolae. Este protocolo optimizado hace que la fabricación de LTE sea sencilla y rentable. Es adecuado para diversas aplicaciones centradas en la expresión y el estudio multiparalelo de proteínas eucariotas complejas y sus interacciones.
Este protocolo describe la producción y optimización de un Sistema de Expresión de Proteínas Libres de Células (CFPS) eucariotas derivado del flagelado unicelular Leishmania tarentolae, denominado Extracto Traslacional de Leishmania o LTE. Aunque este organismo evolucionó originalmente como un parásito de los geckos, se puede cultivar de manera fácil y económica en frascos o biorreactores. A diferencia de la Leishmania major, no es patógena para los seres humanos y no requiere precauciones especiales de laboratorio. Otra ventaja del uso de Leishmania para el CFPS es que la adición de un solo oligonucleótido antisentido al CFPS, dirigido a una secuencia líder de empalme conservada en el extremo 5' de todos los ARN codificantes de proteínas, puede suprimir la expresión de proteínas endógenas. Proporcionamos procedimientos para la disrupción celular y el procesamiento de lisados, que se han simplificado y mejorado en comparación con las versiones anteriores. Estos procedimientos comienzan con cultivos de matraces simples. Además, explicamos cómo introducir información genética utilizando vectores que contienen sitios de iniciación de traducción independientes de la especie (SITS) y cómo realizar una optimización sencilla de los lotes y un control de calidad para garantizar una calidad constante de la expresión de proteínas.
En la década de 1960, los sistemas de expresión de proteínas libres de células desempeñaron un papel fundamental en el descubrimientodel código genético. Sin embargo, los sistemas de expresión de proteínas libres de células procariotas, basados principalmente en E. coli, dominan actualmente tanto las aplicaciones de laboratorio como las comerciales. Si bien los sistemas basados en E. coli ofrecen ventajas como rentabilidad, escalabilidad y altos rendimientos de expresión, enfrentan desafíos cuando producen proteínas multidominio en sus formas activas y facilitan el ensamblaje de complejos proteicos 2,3. En la actualidad, las formas comúnmente utilizadas de síntesis de proteínas eucariotas libres de células (CFPS) incluyen extracto de germen de trigo (WGE), lisado de reticulocitos de conejo (RRL) y lisado de células de insectos (ICL)4,5,6. Este trabajo presenta un sistema alternativo sin células eucariotas, sencillo y escalable, basado en el parásito flagelado unicelular Leishmania tarentolae.
La Leishmania tarentolae puede cultivarse fácilmente en matraces utilizando medios rentables y también puede ampliarse en biorreactores para lograr una mayor densidad celular. La presencia de ARNm endógenos en el lisado celular, que de otro modo podrían competir con los mensajes introducidos, puede neutralizarse utilizando oligonucleótidos antisentido dirigidos a la secuencia líder de empalme de ARNm de Leishmania conservada7. A diferencia de su pariente cercano Leishmania major, que causa enfermedades humanas, L. tarentolae infecta al gecko moruno (Tarentolae mauritanica), por lo que es adecuado para el cultivo en ambientes de laboratorio PC2 sin necesidad de precauciones especiales. Anteriormente se ha utilizado como organismo transgénico para la expresión de proteínas in vivo8.
Para facilitar el cebado de plantillas en sistemas libres de células, se han diseñado secuencias universales basadas en estructuras poliméricas de ARN que mejoran la iniciación traduccional9. Estas secuencias de traducción independientes de la especie (SITS) son aplicables tanto a los sistemas libres de células procariotas como a los eucariotas y son adecuadas para introducir información genética en LTE. Si bien este protocolo no proporciona una explicación detallada de la construcción de vectores para la expresión de proteínas libres de células LTE, la optimización y el control de calidad requieren vectores adecuados que contengan fusiones de fluoróforos de las proteínas de interés deseadas aguas abajo del sitio SITS. Para ello, se han depositado vectores LTE apropiados en el repositorio de genes Addgene, como el vector pCellFree_G03, que codifica una fusión N-terminal de eGFP a la proteína deseada de interés utilizando sitios de clonación Gateway.
LTE ha demostrado su valor en una amplia gama de aplicaciones que requieren expresión de proteínas, incluido el análisis del autoensamblaje de proteínas10,16, la producción de proteínas de membrana integral humana17, la investigación de candidatos a fármacos antivirales18, el desarrollo de enzimas biotecnológicamente útiles19, la creación de prototipos de biosensores de proteínas20,21 y el estudio de productos biológicos a partir de anquilostomas22. LTE también ha sido fundamental en el mapeo de redes de interacción proteína-proteína en los campos de la virología y las estructuras celulares21,32. Se ha evaluado el rendimiento de LTE de manera similar a otros sistemas eucariotas libres de células en la expresión de proteínas de longitud completa, monodispersas y no agregadas33, al tiempo que ofrece una producción más rentable y escalable.
Este protocolo proporciona técnicas para cultivar y alterar el organismo huésped, preparar lisado y complementar una solución de alimentación (FS) para la expresión de proteínas de transcripción/traducción acopladas. Además, incluye un protocolo para optimizar los lotes de producción. En la versión inicial del sistema libre de células de Leishmania, se observó una variación no deseada de un lote a otro en los niveles de expresión, la fracción de proteínas de longitud completa y la presencia de agregados de proteínas, lo que llevó a la eliminación de los lotes34. Posteriormente, se realizaron mejoras en el protocolo para abordar este problema25. El protocolo actual se basa en estas mejoras, lo que permite optimizar los lotes individuales para la expresión y el tamaño máximos de la proteína. Esto se logra controlando de cerca la carga del disruptor celular (medida como densidad óptica a 600 nm; OD600 nm) y normalizando la salida de lisado resultante utilizando absorbancia a 280 nm (Abs280 nm). Además, incorpora un método para suplementar parcialmente el lisado con rNTP y magnesio durante la fabricación, con la posterior optimización de estos componentes de la solución alimenticia durante las expresiones de prueba. Aunque esta optimización se presenta como una opción en el protocolo, los autores la recomiendan encarecidamente.
Este protocolo incluye recetas detalladas de medios y pasos que implican cultivo, centrifugación, medición de la fluorescencia GFP mediante un lector de placas multimodo, medición de cultivo OD600 nm y evaluación de lisado Abs280 nm. También cubre la configuración y la obtención de imágenes de los geles de proteínas SDS-PAGE. Los materiales necesarios o sugeridos para este protocolo se enumeran en la hoja de cálculo Materiales. Es importante tener en cuenta que los recursos típicos de laboratorio, como los componentes de los medios, las centrífugas, los tubos, los espectrofotómetros y las configuraciones de electroforesis en gel, probablemente se puedan utilizar indistintamente, a menos que se especifique lo contrario. La Figura 1 proporciona un resumen del proceso de fabricación LTE.
Figura 1: Descripción general del protocolo de fabricación LTE. Esta caricatura proporciona un resumen conciso del protocolo de fabricación LTE. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1. Crecimiento de los cultivos de Leishmania tarentolae
2. Concentración de cultivos de L. tarentolae
3. Lisis del concentrado de L. tarentolae
4. Centrifugación del lisado celular
5. Filtración en gel de lisado celular
NOTA: La filtración en gel se utiliza para eliminar la sacarosa incluida en el tampón SEB. Si bien la sacarosa ayuda a estabilizar la maquinaria celular durante la disrupción celular, disminuye el rendimiento si se retiene en las reacciones de expresión de proteínas.
6. Suplementación con lisado celular
7. Control de calidad y optimización de LTE final complementado
NOTA: Los pasos mínimos necesarios para determinar la adición "de recarga" adecuada de rNTP.Mg al rNTP reducido y al lisado suplementado con magnesio implican la expresión de eGFP o un fluoróforo similar (por ejemplo, sfGFP) sin un socio de fusión. Se añaden concentraciones crecientes de rNTP.Mg a las reacciones para determinar el punto en el que se optimiza el nivel de expresión (medido como RFU eGFP a través de un lector de placas multimodo). Las terminaciones prematuras de eGFP, que no son fluorescentes, se hacen evidentes al disminuir la RFU de eGFP a concentraciones de rNTP.Mg demasiado altas. Sin embargo, el mal funcionamiento de LTE de productos cortos ocurre con mayor frecuencia en proteínas expresadas más grandes (>50 kDa). Por lo tanto, es posible realizar esta optimización utilizando una plantilla más grande que eGFP, especialmente si hay una disponible en un vector de expresión adecuado, proporcionando una fusión de fluoróforos que se desea producir mediante LTE para una aplicación o estudio en particular (consulte la sección Resultados representativos).
El propósito de la expresión de proteínas libres de células es producir proteínas de longitud completa en una forma activa plegada adecuada para una amplia gama de aplicaciones. El LTE (extracto de Leishmania tarentoleae ) se ha comparado previamente con otros sistemas de expresión libre de células procariotas y eucariotas, demostrando una alta capacidad para evitar el truncamiento y la agregación cuando funciona de manera óptima, particularmente en comparación con la ...
Los protocolos para la creación de LTE se han publicado en la última década7 y han sido objeto de actualizaciones periódicas25,34. Sin embargo, los recién llegados a la técnica a menudo se encuentran con una curva de aprendizaje empinada, lo que resulta en retrasos para lograr la expresión de proteínas de alta calidad y alto rendimiento. Otros grupos de investigación que trabajan con LTE
No hay intereses financieros contrapuestos.
Los autores desean agradecer a los muchos miembros del laboratorio Alexandrov que han contribuido al desarrollo de los sistemas LTE en los últimos 10 años, en particular a Sergey Mureev, quien fue pionero en el sistema y desarrolló el sitio de entrada de ribosomas SITS. La Figura 1 fue creada por Biorender.com y reproducida bajo licencia.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
PD-10 SuperDex 25 Columns | Cytiva | 17085101 | Gel filtration columns |
Nitrogen Cavitation cell disrupter | Parr Industries | 4635 or 4639 | Cell Disrupter |
Bovine derived Hemin | Sigma-Aldrich | H5533 | Culture additive |
Penicillin/Streptomycin 10000U/ml | Thermo-Fisher | 15140122 | Antibiotic mix |
Optiplate 384 | Perkin-Elmer | 6007290 | Multiwell plate for 10ul expressions |
Oligonucleotide | IDT synthesis | Oligo with sequence CAATAAAGTACAGAAACTGATAC TTATATAGCGTT | |
Creatine Phosphokinase | Sigma-Aldrich | 9001-15-4 | Enzyme |
Tecan Spark | Tecan | or similar Multimode Platereader | |
Chemidoc MP Imager | Biorad | or similar SDS-PAGE gel Imager | |
4-12% Bis-Tris Gels | Invitrogen | NW04125 | SDS-PAGE gels |
Biophotometer | Eppendorf | or similar Cuvette Specrophotometer | |
Nanodrop One | Thermofisher | Nanodrop spectrophotometer | |
Avanti JXN-26 centrifuge | Beckman Coulter | or similar centrifuge, with rotors/tubes rated 10K and 50K g | |
5424R microcentrifuge | Eppendorf | or similar microcentrifuge, with 1.5ml microcentrifuge tubes | |
Flask Incubator Inova S44i | Eppendorf | or similar flask incubator shaker suitable for 5L Flasks | |
5L glass culture flasks | Baffled glass flasks for culture growth | ||
Bactotryptone | BD | 211705 | Growth medium |
Yeast Extract | Merck | VM930053 | Growth medium |
Glycerol | Any analytical grade | ||
Glucose | Any analytical grade | ||
KH2PO4 | Any analytical grade | ||
K2HPO4 | Any analytical grade | ||
UltraPure water | Invitrogen | 10977-015 | Or output from any MilliQ-type water dispenser |
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