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Method Article
연구 결과는 복제하거나 살아있는 세포를 사용하지 않고 합성 유전자 단편에서 단백질 검열 캠페인을 위한 DNA의 큰 (μg-mg) 양을 만들기 위한 프로토콜을 기술합니다. 최소 템플릿은 효소적으로 소화되고 원형화된 다음, 이더스말 롤링 서클 증폭을 사용하여 증폭됩니다. 세포 없는 발현 반응은 불정제 된 제품으로 수행 될 수있다.
이 프로토콜은 최소한의 DNA 템플릿의 설계와 효소 증폭을 위한 단계를 설명하며, 세포 없는 발현을 사용하여 24시간 이내에 분석 가능한 단백질의 신속한 프로토타이핑을 가능하게 합니다. 공급 업체로부터 DNA를 받은 후 유전자 단편은 PCR 증폭, 절단, 원형 및 저온 뱅크입니다. 소량의 뱅크된 DNA는 이더스롤링 원 증폭(RCA)을사용하여 현저하게 희석되고 증폭됩니다(최대 106x). RCA는 시작 물질의 피코그램 수준에서 최소한의 발현 템플릿의 마이크로그램 양을 얻을 수 있습니다 (모든 시작 합성 단편이 사용되는 경우 mg 수준). 이 작품에서 시작량은 20pg로 최종 제품의 4μg을 초래했습니다. 생성된 RCA 제품(최소 템플릿의 컨카퍼)은 정화 단계가 없는 세포 없는 반응에 직접 추가할 수 있다. 이 방법은 전적으로 PCR 기반이기 때문에 자동화된 액체 처리 시스템과 결합될 때 미래의 고처리량 선별 작업을 가능하게 할 수 있습니다.
세포 없는 유전자 발현(CFE)은 많은 응용분야와 함께 강력한 도구로 부상하고 있다. 이러한 응용 분야에는질병 검출1, 2,3,4,5,6,미량 영양소 및 소분자 검출7,8,9,10,11,12,바이오 제조13,14,15,16,17 ,18,교육19,20,21,제조 어려운 단백질17,22,23,24,25,26,27,및 변종 스크리닝23,28,29,30, 31,32 ,33. 이는 셀 프리 시스템의 개방적 특성과 그들이 부여하는 유연성 때문입니다. 많은 훌륭한 리뷰 기사는 기술34,35,36,37,38,39,40,41,42, 43,44에대한 역사적 교육과 미래의관점을제공합니다.
전형적인 세포 없는 반응은 세포 추출물, 에너지 혼합 및 유전 템플릿의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 활성 세포 추출물은 전사 및 번역(TXTL)에 필요한 모든 기계를 포함하고 있으며36의다양한 방법으로 처리될 수 있다. 에너지 믹스의 글리코리틱 중급자, 전해질, 아미노산 및 보조인은 TXTL 공정을 지원합니다. 그것은 세포 없는 실험에 있는 가변성의 주요 근원이고45 및 여러 가지 방법으로 제조될 수 있다34,46. 전통적인 복제 방법은 우수한 발현 특성을 가진 플라스미드를 초래하기 때문에 유전 템플릿의 준비는 적은 개선을 보았다. 이러한 전통적인 방법의 단점은 이를 구성하고 전파하는 데 필요한 처리 시간과 생물학적 전문 지식의 양입니다. 최근 최적화 노력으로 인해 에너지 믹스준비49,50과병행하여 수행할 수 있는 세포 추출물준비(47,48)를 위한 간단한 24시간 워크플로우가 발생했습니다. 그러나, 기존의 복제는 CFE 프로토타이핑 타임라인(표1)23에여러 일을 추가한다. 상용 유전자 단편으로부터 PCR 제품을 빠르게 증폭시키는 것은 직접사용할수 있지만, 이는 약 5개의 반응(전통적인 15μL 부피)에 해당하는 DNA의 1μg만 생성되기 때문에 프로토타이핑 실험의 수를 제한한다. 이러한 순환화 및 이더스말 증폭의 추가 단계로, DNA의 밀리그램 수량보다 큰 (~5,000 반응 1 mg). 이것은 극적으로 단백질의 높은 처리량 검열 또는 조합 효소 네트워크 (세포 없는 신진 대사 공학)에서 만들어질 수 있는 시험의 수를 증가시킵니다; 또한 선형 템플릿 라이브러리를 고농도 DNA로 효과적으로 보존할 수 있습니다. 또한 재료 과학 응용 분야(단백질 기반 섬유 및 하이드로겔)에 필요한 대량의 단백질을 시제품화하기 위해 더 많은 양의 템플릿이 필요합니다. 선형 템플릿의 일부 제한은 BL21 DE3 Star에서 추출한 추출을 사용하거나 최근에 발견된 방법을 사용하여 선형 템플릿을 분해52,53,54로부터보호함으로써 극복할 수 있다. 그러나, 이것은 PCR 증폭을 위한 공급 업체 생산 DNA의 제한된 주식을 가진 또는 복제에 필요한 생물학 전문 지식 및 장비의 문제를 다루지 않습니다.
이 작품은 소량의 벤더 생산 유전자 단편(일반적으로 lyophilized 분말의 500-1000 ng ng)에서 얻을 수 있는 발현 템플릿의 양을 증가시키기 위해 명시적으로 설계된 프로토콜을 제시한다. 설명된 방법은 플라스미드에서 전통적인 복제를 수행하거나 살아있는 세포에서 변환 및 전파하는 데 필요한 기술을 필요로하지 않습니다. 메일에서 유전자 단편을 받으면, 사용자는 이더스럽 롤링 원 증폭(RCA)(도 1)23을사용하여 많은 세포 없는 반응에 대한 충분한 템플릿을 생성할 수 있다. 공급 업체로부터 받은 DNA의 양은 제한된 선별 노력에 충분할 수 있지만, 신속하게 고갈되고 유전자 조각을 다시 구입하는 것은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 듭니다. 이 방법은 또한 대장균에서 독성이 있고 복제하기 어려운 유전자에 특히 적합합니다.
1. 유전자 단편 설계
참고: 유전자 단편은 프로모터, 리보솜 결합 부위(RBS), 시작 코돈, 관심 유전자 및 종기 작성기를 포함하여 전사/번역에 필요한 모든 유전 적 요소를 가져야합니다. 종결자는 선형 식 템플릿(LET)에 필요하지 않지만 사용자가 플라스미드에 시퀀스를 삽입하기로 결정하는 경우 중요합니다. 이러한 시퀀스는 T7 프로모터를 사용하는 pJL1-sfGFP 플라스미드55(마이클 제웨트의 실험실에서 받은 선물)에서 해제되었습니다. 이러한 필수 유전적 원소 외에도, 제한 효소 절단 부위는 발기인(5' 절단 부위) 앞에 6개의 염기 쌍을 추가하고, 다른 6개의 기본 쌍은 종료기(3' cut site) 후에 추가되고, 이 경우 힌드III(다른 제한 효소를 사용할 수 있습니다,하지만 라이브러리에 보관하는 데 필요한 수를 줄이기 위해 하나의 높은 충실도 제한 효소로 서열을 표준화하는 데 도움이 된다). 프라이머 사이트는 5'컷 사이트의 상류 10개의 기본 쌍과 3' 컷 사이트의 하류 10개의 기본 쌍을 추가하며, 이 경우 표준화된 M13 프라이머 시퀀스(프라이머는 저렴한 재고 항목)를 사용합니다. 사용되는 제한 효소 사이트및 프라이머는 사용자의 재량에 따라 사용됩니다. 그러나 사용자는 서열이 템플릿의 다른 곳에 존재하지 않는지 확인해야 합니다(원치 않는 컷 또는 증폭 개시 사이트를 만들고 싶지 않음). 이 작업에 사용되는 템플릿의 시퀀스는 보충 자료에 자세히 설명되어 있습니다. 이러한 단계는 이 기본 템플릿에서 수정하는 데 사용됩니다.
2. 유전자 단편및 프라이머 를 다시 일시 중단
참고: 유전자 단편을 수령하면 제조업체의 프로토콜을 따라 재발 을 방지하거나 이 간단한 가이드를 사용하여 DNA 스톡을 만듭니다.
3. PCR을 통해 유전자 단편 증폭
참고: 관심 유전자에 적합한 PCR 키트를 결정합니다. 더 작은 유전자 (<1,000 kb)는 더 싼 Taq 폴리머라아제에 더 순종적 일 수 있으며, 더 큰 유전자 (≥1,000 kb)는 오류를 줄이기 위해 높은 충실도 폴리머라제의 혜택을 누릴 수 있습니다. 사용자가 초기 유전자 단편 보존에 관심이 없는 경우 이 초기 PCR 증폭이 필요하지 않다는 점에 유의하는 것이 중요합니다(순환화에 여러 번 의한 시도를 제공하고 LET 대 RCA 제품의 비교 연구를 허용). 또한 이 PCR 증폭 LET이 반응에 직접 사용할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나, 소개에서 언급 한 바와 같이, 그것은 단지 추가 증폭 단계를 무시하는 경우에만 반응의 제한된 수를 허용 할 것이다. 소화 및 결찰은 직접 재중단 된 유전자 단편(57)에서 수행 될 수 있습니다 (확실한 경우, 추가 순환 스톡을 수행하기 위해 더 많은 LET이 필요하지 않습니다). 이 경우 섹션 3을 건너뛰고 섹션 4를 계속합니다. PCR을 수행하면 다음 단계를 따르십시오.
4. 소화 및 순환화
참고: RCA 다음에 DNA를 순환시킴으로써 추가 증폭을 달성할 수 있다. DNA를 소화하여 순환화를 위한 템플릿을 준비합니다. 이렇게 하면 프라이머 시퀀스가 제거되고 템플릿의 5'와 3'끝에 끈적끈적한 끝이 생성됩니다. 결찰 반응을 통해 이러한 끝을 다시 부착합니다.
5. 이더말 롤링 서클 증폭
참고: 롤링 서클 증폭(RCA)은 상용 키트 또는 개별적으로 구입한 구성 요소를 사용하여 수행할 수 있습니다. 제조업체의 프로토콜을 따라 성공적인 증폭을 보장합니다. 키트는 전형적으로 φ29 폴리머라제와 같은 시료 완충, 반응 버퍼 및 가닥 변위 폴리머라제를 함유하고 있다. 다중 반응 튜브는 세포 없는 발현을 위해 다량의 DNA를 생성하기 위해 결합될 수 있다(시작 물질의 20 pg로부터 4 μg). 다음 프로토콜은 효율적으로 작동합니다.
6. 세포 없는 반응
참고: 에너지 버퍼, 추출 및 RCA 템플릿을 결합하여 셀 프리 식을 수행합니다. PANOx-SP 에너지 버퍼를 이용한 전형적인 세포 없는 반응은 각각 1.2mM ATP, 0.85mMMM로 구성되어 있으며, GMP, UMP, 및 CMP, 30 mM 인포에놀피루바테, 130mM 칼륨 글루타민트, 10mM 암모늄 글루타메이트, 12m 마그네슘 글루타민, 1.5 mM 스미디딘, 1mM 퍼프레슈민, 34 μg/mL 의 폴리닉 산, 171 μg/mL 2mMM 각각 20개의 라벨이 없는 아미노산, 0.33m NAD, 0.27 mM 코엔자임 A(CoA), 4m 화소칼륨, 57m HEPES-KOH 버퍼(pH 7.5), 대장균 추출물의 0.24% 부피, 및 가변량 DNA23,49. 반응의 부피는 다를 수 있지만 15 μL 반응은 시약 사용에 저장할 수 있으며 384 개의 검은 벽 마이크로 플레이트49,50에사용하기에 충분히 작습니다.
7. 수틸리신 분석
참고: 보충 서열 #2에서서브틸리신 BPN(SBT(n)) 유전자를 발현하는 경우 이 프로토콜을 따라 활성을 분석합니다.
RCA 템플릿으로부터 sfGFP의 발현은 15 μL반응(도 2A)에서무정제 RCA DNA의 0.30 μL만을 사용할 때 pJL1 플라스미드의 것과 비교할 수 있었다. 사실, 템플릿의 양을 두 배로 늘리고 세 배로 늘리면 BL21 DE3 Star 추출물에 아무런 이점이 없는 것으로 보이며, 이는 반응당 0.30 μL로 템플릿의 이미 포화 수준을 시사합니다. 반대로, SHuffle 균주로부터 공급되는 세포 추출물에 첨가할 때 RCA 템?...
관심의 유전자는 원하는 단백질이 될 수 있지만, 이 방법의 새로운 채택자를위한 웰 플레이트 판독기에서 실시간 또는 엔드 포인트 판독을위한 편리한 리포터로서 형광 단백질로 시작하는 것이 가장 좋습니다. 새로운 단백질 서열의 경우 원하는 단백질의 아미노산 서열을 복사하여 원하는 코돈 최적화도구(61,62)에붙여 넣습니다. 코돈 최적화 도구에는 ...
Nigel Reuel은 항체 설계를 위해 세포없는 시스템을 사용하는 회사인 BigHat Biosciences Inc.의 과학 자문 위원회에서 근무하고 있습니다.
저자는 NIH 1R35GM138265-01 및 NSF 2029532 이 프로젝트의 부분적인 지원을 인정합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alaline | Formedium | DOC0102 | |
Ammonium glutamate | MP Biomedicals | MP21805951 | |
Arginine | Formedium | DOC0106 | |
Asparagine | Formedium | DOC0114 | |
Aspartic Acid | Formedium | DOC0118 | |
ATP | Sigma | A2383 | |
Axygen Sealing Film | Corning | PCR-SP | |
CMP | Sigma | C1006 | |
Coenzyme A | Sigma | C3144 | |
CutSmart Buffer | NEB | B7204S | Provided with HindIII |
Cysteine | Formedium | DOC0122 | |
DNA Clean and Concentrator Kit | Zymo Research | D4004 | Used for purifying DNA |
dNTPs | NEB | N0447 | |
E. coli tRNA | Sigma (Roche) | 10109541001 | |
Folinic Acid | Sigma | 47612 | |
Gene Fragment | IDT | ||
Glutamic Acid | Formedium | DOC0134 | |
Glutamine | Formedium | DOC0130 | |
Glycine | Formedium | DOC0138 | |
GMP | Sigma | G8377 | |
HEPES | Sigma | H3375 | |
HindIII-HF | NEB | R3104L | |
Histidine | Formedium | DOC0142 | |
Isoleucine | Formedium | DOC0150 | |
Leucine | Formedium | DOC0154 | |
Lysine | Formedium | DOC0158 | |
Magnesium glutamate | Sigma | 49605 | |
Methionine | Formedium | DOC0166 | |
Microtiter Plate (384 well) | Greiner | 781906 | |
Microtiter Plate (96 well) | Greiner | 655809 | |
Multimode Plate Reader | BioTek | Synergy Neo2 | |
NAD | Sigma | N8535 | |
NanoPhotometer | Implen | NP80 | |
OneTaq DNA Polymerase | NEB | M0480 | |
PCR Tube | VWR | 20170-012 | |
Phenylalanine | Formedium | DOC0170 | |
Phosphoenolpyruvate | Sigma (Roche) | 10108294 | |
Potassium glutamate | Sigma | G1501 | |
Potassium oxalate | Fisher Scientific | P273 | |
Proline | Formedium | DOC0174 | |
Putrescine | Sigma | P5780 | |
Serine | Formedium | DOC0178 | |
Spermidine | Sigma | S0266 | |
T4 DNA Ligase | NEB | M0202S | |
T4 DNA Ligase Reaction Buffer | NEB | B0202S | Provided with T4 DNA Ligase |
TempliPhi Amplification Kit | Cytiva | 25640010 | Used for RCA |
Thermal Cycler | Biorad | C1000 Touch | |
Thermoblock | Eppendorf | ThermoMixer FP | |
Threonine | Formedium | DOC0182 | |
Tryptophan | Formedium | DOC0186 | |
Tyrosine | Formedium | DOC0190 | |
UMP | Sigma | U6375 | |
Valine | Formedium | DOC0194 |
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