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Method Article
O Extrato Translacional de Leishmania (LTE) é um sistema de expressão de proteínas livres de células eucarióticas derivado do parasita unicelular, Leishmania tarentolae. Esse protocolo otimizado torna o LTE simples e econômico de fabricar. É adequado para várias aplicações focadas na expressão multiparalela e no estudo de proteínas eucarióticas complexas e suas interações.
Este protocolo descreve a produção e otimização de um Sistema de Expressão de Proteína Livre de Células (CFPS) eucariótico derivado do flagelado unicelular Leishmania tarentolae, conhecido como Extrato Translacional de Leishmania ou LTE. Embora este organismo tenha evoluído originalmente como um parasita de lagartixas, ele pode ser cultivado de forma fácil e barata em frascos ou biorreatores. Ao contrário da Leishmania major, não é patogênica para os seres humanos e não requer precauções laboratoriais especiais. Outra vantagem de usar Leishmania para CFPS é que a adição de um único oligonucleotídeo antisense à CFPS, visando uma sequência líder de splice conservada na extremidade 5' de todos os RNAs codificadores de proteínas, pode suprimir a expressão de proteínas endógenas. Fornecemos procedimentos para interrupção celular e processamento de lisados, que foram simplificados e aprimorados em comparação com as versões anteriores. Esses procedimentos começam com culturas de frascos simples. Além disso, explicamos como introduzir informações genéticas usando vetores contendo locais de iniciação de tradução independentes da espécie (SITS) e como realizar otimização direta de lote e controle de qualidade para garantir a qualidade consistente da expressão da proteína.
Na década de 1960, os sistemas de expressão de proteínas livres de células desempenharam um papel fundamental na descoberta do código genético1. No entanto, os sistemas de expressão de proteínas livres de células procarióticas, principalmente baseados em E. coli, atualmente dominam as aplicações laboratoriais e comerciais. Embora os sistemas baseados em E. coli ofereçam vantagens como custo-benefício, escalabilidade e altos rendimentos de expressão, eles enfrentam desafios ao produzir proteínas de múltiplos domínios em suas formas ativas e facilitar a montagem de complexos proteicos 2,3. Nos dias atuais, as formas comumente usadas de Síntese de Proteína Livre de Células Eucarióticas (CFPS) incluem extrato de gérmen de trigo (WGE), lisado de reticulócitos de coelho (RRL) e lisado de células de insetos (ICL) 4 , 5 , 6 . Este trabalho apresenta um sistema alternativo livre de células eucarióticas que é simples e escalável, baseado no parasita flagelado unicelular Leishmania tarentolae.
Leishmania tarentolae pode ser cultivada facilmente em frascos usando meios econômicos e também pode ser ampliada em biorreatores para atingir maior densidade celular. A presença de mRNAs endógenos no lisado celular, que de outra forma poderiam competir com as mensagens introduzidas, pode ser neutralizada usando oligonucleotídeos antisense direcionadosà sequência 7 do líder de splice de mRNA de Leishmania conservada. Ao contrário de seu parente próximo Leishmania major, que causa doenças humanas, L. tarentolae infecta a lagartixa-mourisca (Tarentolae mauritanica), tornando-a adequada para cultivo em ambientes de laboratório PC2 sem a necessidade de precauções especiais. Já foi usado anteriormente como um organismo transgênico para expressão de proteínas in vivo8.
Para facilitar o priming do molde em sistemas livres de células, sequências universais foram projetadas com base em estruturas poliméricas de RNA que aumentam a iniciação translacional9. Essas sequências de tradução independentes da espécie (SITS) são aplicáveis a sistemas livres de células procarióticas e eucarióticas e são adequadas para introduzir informações genéticas no LTE. Embora este protocolo não forneça uma explicação detalhada da construção do vetor para a expressão de proteínas livres de células LTE, a otimização e o controle de qualidade requerem vetores adequados contendo fusões de fluoróforos das proteínas desejadas de interesse a jusante do local STITS. Para esse fim, vetores LTE apropriados foram depositados no repositório de genes Addgene, como o vetor pCellFree_G03, que codifica uma fusão de eGFP N-terminal para a proteína de interesse desejada usando locais de clonagem Gateway.
O LTE provou seu valor em uma ampla gama de aplicações que requerem expressão de proteínas, incluindo a análise da automontagem de proteínas10,16, produção de proteínas de membrana integral humana17, pesquisa sobre candidatos a medicamentos antivirais18, desenvolvimento de enzimas biotecnologicamente úteis19, prototipagem de biossensores de proteínas20,21 e o estudo de produtos biológicos de ancilostomídeos22. O LTE também tem sido fundamental no mapeamento de redes de interação proteína-proteína nos campos da virologia e estruturas celulares21,32. O LTE foi avaliado para ter um desempenho semelhante a outros sistemas livres de células eucarióticas na expressão de proteínas de comprimento total, monodispersas e não agregadas33, ao mesmo tempo em que oferece uma produção mais econômica e escalável.
Este protocolo fornece técnicas para cultivar e interromper o organismo hospedeiro, preparar lisado e suplementar uma solução de alimentação (FS) para expressão de proteína de transcrição/tradução acoplada. Além disso, inclui um protocolo para otimizar os lotes de produção. Na versão inicial do sistema livre de células de Leishmania, foi observada variação indesejada de lote para lote nos níveis de expressão, na fração de proteínas de comprimento total e na presença de agregados proteicos, levando ao descarte de lotes34. Melhorias subsequentes no protocolo foram feitas para resolver esse problema25. O protocolo atual se baseia nessas melhorias, permitindo que lotes individuais sejam otimizados para pico de expressão e tamanho da proteína. Ele consegue isso controlando de perto a carga do disruptor celular (medida como densidade óptica a 600 nm; OD600nm) e normalizando a saída de lisado resultante usando absorbância a 280 nm (Abs280nm). Além disso, incorpora um método para suplementar parcialmente o lisado com rNTP e magnésio durante a fabricação, com subsequente otimização desses componentes da solução de alimentação durante as expressões de teste. Embora essa otimização seja apresentada como uma opção no protocolo, ela é fortemente recomendada pelos autores.
Este protocolo inclui receitas de mídia detalhadas e etapas que envolvem cultura, centrifugação, medição da fluorescência GFP usando um leitor de placas multimodo, medição de cultura OD600nm e avaliação de lisado Abs280nm. Também abrange a configuração e a imagem de géis de proteína SDS-PAGE. Os materiais necessários ou sugeridos para este protocolo estão listados na planilha de materiais. É importante observar que os recursos laboratoriais típicos, como componentes de mídia, centrífugas, tubos, espectrofotômetros e configurações de eletroforese em gel, provavelmente podem ser usados de forma intercambiável, a menos que especificado de outra forma. A Figura 1 fornece um resumo do processo de fabricação LTE.
Figura 1: Visão geral do protocolo de fabricação LTE. Este desenho animado fornece um resumo conciso do protocolo de fabricação LTE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. Crescimento de culturas de Leishmania tarentolae
2. Concentração de culturas de L. tarentolae
3. Lise do concentrado de L. tarentolae
4. Centrifugação do lisado celular
5. Filtração em gel do lisado celular
NOTA: A filtração em gel é usada para remover a sacarose incluída no tampão SEB. Embora a sacarose auxilie na estabilização da maquinaria celular durante a ruptura celular, ela diminui o rendimento se retida nas reações de expressão de proteínas.
6. Suplementação de lisado celular
7. CQ e otimização do LTE final suplementado
NOTA: As etapas mínimas necessárias para determinar a adição apropriada de rNTP.Mg ao rNTP reduzido e lisado suplementado com magnésio envolvem a expressão de eGFP ou um fluoróforo semelhante (por exemplo, sfGFP) sem um parceiro de fusão. Concentrações crescentes de rNTP.Mg são adicionadas às reações para determinar o ponto em que o nível de expressão (medido como eGFP RFU por meio de um leitor de placas multimodo) é otimizado. As terminações prematuras do eGFP, que não são fluorescentes, tornam-se evidentes pela diminuição do eGFP RFU em concentrações de rNTP.Mg muito altas. No entanto, o mau funcionamento do LTE por produto curto ocorre com mais frequência em proteínas expressas maiores (>50 kDa). Portanto, é possível realizar essa otimização usando um modelo maior do que o eGFP, especialmente se um estiver disponível em um vetor de expressão adequado, fornecendo uma fusão de fluoróforo que se deseja produzir por LTE para uma aplicação ou estudo específico (consulte a seção Resultados representativos).
O objetivo da expressão de proteínas livres de células é produzir proteínas de comprimento total em uma forma ativa dobrada adequada para uma ampla gama de aplicações. O LTE (extrato de Leishmania tarentolae ) já foi comparado a outros sistemas de expressão livre de células procarióticas e eucarióticas, demonstrando uma alta capacidade de evitar truncamento e agregação quando operando de maneira ideal, particularmente em comparação com a expressão livre de célu...
Os protocolos para criação de LTE foram publicados na última década7 e passaram por atualizações periódicas25,34. No entanto, os recém-chegados à técnica geralmente encontram uma curva de aprendizado íngreme, resultando em atrasos na obtenção de expressão de proteínas de alta qualidade e alto rendimento. Desafios semelhantes foram relatados por outros grupos de pesquisa que trabalham com LTE...
Não estão presentes interesses financeiros concorrentes.
Os autores desejam reconhecer os muitos membros do laboratório Alexandrov que contribuíram para o desenvolvimento dos sistemas LTE nos últimos 10 anos, em particular Sergey Mureev, que foi pioneiro no sistema e desenvolveu o local de entrada do ribossomo SITS. A Figura 1 foi criada por Biorender.com e reproduzida sob licença.
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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