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* Estes autores contribuíram igualmente
Descrevemos aqui um método simples de expressão, extração e purificação de IgG humano recombinante fundido ao GFP em Nicotiana benthamiana. Este protocolo pode ser estendido à purificação e visualização de inúmeras proteínas que utilizam cromatografia de coluna. Além disso, o protocolo é adaptável ao laboratório de ensino presencial e virtual universitário, proporcionando exploração baseada em projetos.
A alta demanda por anticorpos como intervenções terapêuticas para várias doenças infecciosas, metabólicas, autoimunes, neoplásicas e outras doenças cria uma necessidade crescente de desenvolver métodos eficientes para a produção de anticorpos recombinantes. Em 2019, havia mais de 70 anticorpos monoclonais aprovados pela FDA, e há um potencial de crescimento exponencial. Apesar de sua promessa, fatores limitantes para o uso generalizado são os custos de fabricação e a complexidade. Potencialmente, as plantas oferecem estratégias de fabricação de proteínas de baixo custo, seguras e facilmente escaláveis. Plantas como Nicotiana benthamiana não só podem dobrar e montar proteínas mamíferas complexas, mas também podem adicionar modificações pós-translacionais críticas semelhantes às oferecidas pelas culturas de células mamíferas. Neste trabalho, utilizando GFP nativo e uma variante ácido-estável de proteína fluorescente verde (GFP) fundida a anticorpos monoclonais humanos, pudemos visualizar todo o processo de expressão e purificação de anticorpos transitórios das plantas N. benthamiana. Dependendo do propósito do experimento, a fusão GFP nativa pode garantir uma visualização mais fácil durante a fase de expressão nas plantas, enquanto a fusão GFP ácido-estável permite a visualização durante o processamento a jusante. Este procedimento escalável e simples pode ser realizado por um único pesquisador para produzir quantidades miligramas de proteínas de fusão de anticorpos ou anticorpos altamente puros em questão de dias usando apenas algumas pequenas plantas. Tal técnica pode ser estendida à visualização de qualquer tipo de processo de purificação de anticorpos e potencialmente muitas outras proteínas, tanto em sistemas de vegetação quanto em outros sistemas de expressão. Além disso, essas técnicas podem beneficiar instruções virtuais e serem executadas em um laboratório de ensino por estudantes de graduação que possuem experiência mínima prévia com técnicas de biologia molecular, fornecendo uma base para a exploração baseada em projetos com aplicações reais.
Relatórios da indústria indicam que treze dos vinte medicamentos de maior bilheteria nos Estados Unidos eram biológicos (medicamentos à base de proteína), dos quais nove eram anticorpos. Em 2019, foram mais de 570 terapêuticas de anticorpos (Ab) em várias fases de desenvolvimento clínico1,2,3. As vendas globais globais da Ab excedem 100 bilhões de USD, e o mercado terapêutico monoclonal Ab (mAb) deve gerar até 300 bilhões de USD até 20251,4. Com uma demanda tão alta e aumentos projetados na receita, pesquisadores têm trabalhado para desenvolver maneiras de produzir a terapêutica Ab em uma escala cada vez maior, com maior qualidade e custos mais baixos. Os sistemas de expressão à base de plantas têm várias vantagens sobre as linhas tradicionais de células mamíferas para a fabricação acessível e em larga escala da terapêutica Ab5,6. A produção de terapêutica proteica em plantas ("pharming molecular") não requer bioreatores caros ou instalações de cultura celular, assim como as técnicas tradicionais de cultura celular de mamíferos7,8. As plantas não podem contrair patógenos humanos, minimizando a contaminação potencial9. Tanto a expressão proteica transitória quanto transgênica à base de plantas pode ser utilizada como alternativas de menor custo aos sistemas de produção de mamíferos ou bacterianos10. Embora as plantas transgênicas sejam preferidas para a produção de culturas, a produção de proteínas recombinantes usando este método pode exigir de semanas a meses. Os avanços na expressão transitória utilizando vetores virais através da seringa ou da agroinfiltração a vácuo permitem a produção em pequena e grande escala, respectivamente, da proteína desejada nos dias11,12,13,14. A produção de mAbs contra o Ebola, a Dengue e o Zika, e inúmeras outras proteínas recombinantes, foram produzidas e purificadas de forma rápida e eficiente utilizando expressão transitória nas plantas de N. benthamiana 15,16,17,18,19. Essas circunstâncias tornam a expressão transitória baseada em plantas uma opção atraente para o desenvolvimento de múltiplas terapêuticas Ab e os métodos demonstrados neste protocolo20.
Os mAbs de primeira geração eram de derivação de murina, o que resultou em imunogenicidade não específica quando utilizados em testes em humanos21. Com o tempo, quiméricos, humanizados e, eventualmente, abs totalmente humanos foram produzidos para diminuir a imunogenicidade induzida pela terapêutica ab. Infelizmente, alguns desses Abs ainda causam imunogenicidade hospedeira devido a diferenças na glicossylation21. A evolução da engenharia vegetal permitiu a modificação dos glicos ab, o que é essencial, uma vez que a estabilidade e a função de um Ab podem ser significativamente afetadas pelo seu estado de glicosylation22. Os avanços permitiram a produção em sistemas vegetais de expressão de alto nível de mAbs humanizados, contendo glicanos humanos e, consequentemente, os traços biológicos desejados de um farmacêutico humano produzido em massa19,21.
Além do Abs recombinante, as moléculas de fusão Ab (fusões Ab) têm sido exploradas para vários propósitos nas últimas décadas. As fusões abs geralmente consistem em um fragmento ab ou ab fundido a uma molécula ou proteína e são projetadas para obter respostas de células efeitos imunológicos23. Essas moléculas foram criadas como potenciais intervenções terapêuticas para tratar diversas patologias, como câncer e doenças autoimunes24,25,26,27. Os complexos imunológicos recombinantes (RICs) são outra classe de fusões Ab que têm sido empregadas como candidatos à vacina28. Os RICs aproveitam a capacidade do sistema imunológico de reconhecer regiões de fusões ab e têm sido encontrados para melhorar a imunogenicidade quando combinados com outras plataformas de vacinas29,30,31.
Proteína Fluorescente Verde (GFP) é uma proteína bioluminescente derivada da água-viva Aequorea Victoria, que emite luz verde quando excitada pela luz ultravioleta32,33. Ao longo dos anos, o uso do GFP como marcador visual da expressão genética expandiu-se da expressão em Escherichia coli para numerosos sistemas de expressão proteica, incluindo as plantas N. benthamiana 34,35,36,37,38. Marcadores visíveis, como o GFP, têm implicações abundantes no ensino e aprendizagem de conceitos científicos. Inúmeros alunos de nível básico descrevem dificuldades para compreender conceitos científicos quando a ideia que está sendo ensinada não é visível a olho nu, como os conceitos de biologia molecular e campos relacionados39. Marcadores visuais, como o GFP, podem, assim, contribuir para o processamento de informações relacionadas aos processos científicos e podem ajudar a diminuir as dificuldades que os alunos relatam na aprendizagem de inúmeros conceitos científicos.
Embora o GFP seja frequentemente usado como marcador para indicar gene e expressão in vivo,é difícil visualizá-lo nos processos a jusante se usar condições ácidas. Esta circunstância é principalmente porque a GFP não mantém sua estrutura e fluorescência resultante a um pH40baixo . Ambientes ácidos temporários são frequentemente necessários em diversos processos de purificação, como proteína G, proteína A e cromatografia proteica L, muitas vezes utilizada para purificação de Ab41,42,43,44. Mutantes GFP têm sido usados para reter fluorescência sob condições ácidas45,46.
Aqui descrevemos um método simples de expressão, extração e purificação de proteínas de fusão IgG recombinantes em plantas N. benthamiana. Produzimos gfp tradicional fundido ao N-terminus de uma cadeia pesada IgG humanizada, criando uma fusão GFP-IgG. Simultaneamente, desenvolvemos a fusão de uma sequência otimizada por don de plantas para um GFP ácido-estável (asGFP) para o N-terminus de uma cadeia pesada IgG humanizada, criando uma fusão asGFP-IgG. As vantagens da produção de GFP-IgG incluem a capacidade de visualizar a presença de uma proteína alvo durante a expressão, enquanto asgFP-IgG permite ver a presença de proteína recombinante não apenas nas etapas de expressão e extração, mas também nas etapas de purificação da proteína. Este protocolo pode ser adaptado para a produção, purificação e visualização de uma gama de proteínas de fusão GFP produzidas em N. benthamiana e purificadas usando técnicas de cromatografia que requerem baixo pH. O processo também pode ser adaptado a várias quantidades de material de folha. Embora as proteínas abs e de fusão marcadas com GFP ou asGFP não sejam destinadas a ser usadas para terapias, esses métodos podem ser úteis como controles durante experimentos e também podem ser utilizados como uma ferramenta de ensino para biologia molecular e celular e biotecnologia, tanto presencialmente quanto virtualmente.
1. Cultivar plantas N. benthamiana
2. Preparação de tumefaciens de agrobacterium para infiltração
NOTA: Os construtos de fusão GFP-IgG podem ser obtidos conforme descrito neste artigo31. O gene asGFP foi obtido e otimizado a partir deste estudo45. As etapas a seguir devem ser feitas ao lado de um queimador Bunsen, e técnicas assépticas básicas devem ser aplicadas para evitar contaminação.
3. Agroinfiltração de seringas sem agulha
4. Cresça e observe a N. benthamiana infiltrada
5. Extração de proteína
6. Procedimento de cromatografia da coluna proteína G
NOTA: O protocolo descrito aqui é para cromatografia de fluxo de gravidade usando resina de agarose Pierce Protein G. Se usar uma resina diferente, consulte as instruções do fabricante para ajustes. Nunca deixe a resina secar e evite que todo o líquido se escorra. Recapitulando a tomada conforme necessário.
7. SDS-PAGE para detecção de fusão GFP-Ig
Este estudo demonstra um método fácil e rápido para produzir proteínas recombinantes e visualizá-las em todos os processos a jusante. Usando N. benthamiana e seguindo o protocolo fornecido, a produção de proteína recombinante descrita aqui pode ser alcançada em menos de uma semana. O fluxo de trabalho global da expressão, extração e purificação da planta é mostrado na Figura 1. Os estágios de crescimento vegetal de mudas de 2 semanas, plantas de 4 semanas de idade e ...
Este protocolo pode ser utilizado para a verificação visual de qualquer ab recombinante ou proteína recombinante produzida em plantas N. benthamiana, incluindo aquelas que requerem exposição temporária a ambientes ácidos para fins de purificação decolunas 42,43,44. Além disso, a fusão do asGFP para outras proteínas em diferentes sistemas de expressão pode ser uma ferramenta útil para visualização experim...
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecemos a Maria Pia DiPalma pela edição do vídeo. Agradecemos também ao Escritório de Divulgação Educacional e Serviços Estudantis da Universidade Estadual do Arizona por sua generosa assistência à taxa de publicação. A pesquisa para este protocolo foi apoiada pela School of Life Sciences da Universidade Estadual do Arizona.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
5 mL syringe | any | N/A | |
50 mL syringe | any | N/A | |
Agar | SIGMA-ALDRICH | A5306 | |
Blender with cups | any | N/A | |
Bromophenol blue | Bio-Rad | 1610404 | |
DTT (DL-Dithiothreitol) | MP BIOMEDICALS | 219482101 | |
EDTA (Ethylenedinitrilo)tetraacetic acid | SIGMA-ALDRICH | E-6760 | |
Ethanol | any | N/A | |
Glycerol | G-Biosciences | BTNM-0037 | |
Glycine | SIGMA-ALDRICH | G7126-500G | |
HCl (Hydrochloric acid) | EMD MILLIPORE CORPORATION | HX0603-4 | |
Heating block | any reputable supplier | N/A | |
Jiffy-7 727 w/hole peat pellets | Hummert International | 14237000 | |
Kanamycin | Gold Biotechnology Inc | K-120-100 | |
KCl (Potassium Chloride) | SIGMA-ALDRICH | P9541-500G | |
KH2PO4 (Potassium Phosphate) | J.t.baker | 3248-05 | |
KOH (Potassium Hydroxide) | VWR | BDH0262 | |
Magnesium sulfate heptahydrate | SIGMA-ALDRICH | M2773 | |
MES (2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid) | SIGMA-ALDRICH | M8250 | |
Miracloth | Millipore | 4 75855-1R | |
Moisture control potting mix | Miracle-Gro | 755783 | |
Na2HPO4 (Sodium Phosphate) | J.t.baker | 3827-01 | |
NaCl (Sodium Chloride) | Santa Cruz Biotechnology | sc-203274C | |
Nicotiana benthamiana seeds | any reputable supplier | N/A | |
PMSF (Phenylmethylsulfonyl Fluoride) | G-Biosciences | 786-787 | |
Polypropylene Column | any | N/A | |
Precision Plus Protein Dual Color Standards | Bio-Rad | 1610394 | |
Protein G resin | Thermo Fisher Scientific | 20399 | |
Rifampicin | Gold Biotechnology Inc | R-120-25 | |
SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) | G-Biosciences | DG093 | |
Sodium Ascorbate | SIGMA-ALDRICH | A7631-500G | |
Spectrophotometer | any reputable supplier | N/A | |
Titan3 0.75 µm glass fiber filter | ThermoScientific | 40725-GM | |
Tray for peat pellets with dome | any | N/A | |
TRIS Base | J.t.baker | 4109-02 | |
Tris-HCl | Amresco | M108-1KG | |
Tryptone | SIGMA-ALDRICH | 17221 | |
UV lamp | any | N/A | |
Water Soluble All Purpose Plant Food | Miracle-Gro | 2000992 | |
Yeast extract | SIGMA-ALDRICH | 9182 |
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