Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
* Эти авторы внесли равный вклад
Мы описываем здесь простой метод выражения, извлечения и очистки рекомбинантных человека IgG сливается с GFP в Никотиана benthamiana. Этот протокол может быть распространен на очистку и визуализацию многочисленных белков, использующих колонку хроматографии. Кроме того, протокол адаптируется к личной и виртуальной учебной лаборатории колледжа, обеспечивая проектную разведку.
Высокий спрос на антитела в качестве терапевтических вмешательств для различных инфекционных, метаболических, аутоиммунных, неопластических и других заболеваний создает растущую потребность в разработке эффективных методов рекомбинантного производства антител. По 2019 году было более 70 одобренных FDA моноклональных антител, и есть экспоненциальный потенциал роста. Несмотря на свои обещания, ограничивающими факторами широкого использования являются производственные издержки и сложность. Потенциально заводы предлагают недорогие, безопасные и легко масштабируемые стратегии производства белка. Такие растения, как Nicotiana benthamiana, могут не только правильно складывать и собирать сложные белки млекопитающих, но и добавлять критические пост-трансляционные модификации, аналогичные тем, которые предлагаются культурами клеток млекопитающих. В этой работе, используя родной GFP и кислотно-стабильный вариант зеленого флуоресцентного белка (GFP), слитого с моноклональными антителами человека, мы смогли визуализировать весь переходный процесс экспрессии антител и очистки растений N. benthamiana. В зависимости от цели эксперимента, родной синтез GFP может обеспечить более легкую визуализацию на этапе экспрессии растений, в то время как кислотно-стабильный синтез GFP позволяет визуализировать во время обработки вниз по течению. Эта масштабируемая и простая процедура может быть выполнена одним исследователем для производства миллиграммовых количеств высоко чистых белков антител или антител в течение нескольких дней, используя только несколько небольших растений. Такая методика может быть распространена на визуализацию любого типа процесса очистки антител и, возможно, многих других белков, как в растительных, так и в других системах экспрессии. Кроме того, эти методы могут принести пользу виртуальным инструкциям и быть выполнены в учебной лаборатории студентами, обладающими минимальным опытом работы с методами молекулярной биологии, обеспечивая основу для исследования на основе проектов с реальными приложениями.
Отраслевые отчеты показывают, что тринадцать из двадцати наиболее кассовых препаратов в Соединенных Штатах были биопрепараты (белковые фармацевтические препараты), из которых девять были антителами. По данным на 2019 год, на различных стадиях клинического развития1,2, 3было более 570 антител (Ab)терапевтических средств. Текущие мировые продажи Ab превышают 100 миллиардов долларов США, а моноклональный ab (mAb) терапевтический рынок, как ожидается, будет генерировать до 300 миллиардов долларов США к 2025году 1,4. С таким высоким спросом и прогнозируемым увеличением доходов, исследователи работают над разработкой способов производства терапии Ab в все больших масштабах, с более высоким качеством и более низкими затратами. Системы экспрессии на растительной основе имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными линиями клеток млекопитающих для доступного и крупномасштабного производства Ab therapeutics5,6. Производство белковой терапии в растениях ("молекулярная фармация") не требует дорогостоящих биореакторов или объектов клеточной культуры, как это делают традиционные методыкультуры клеток млекопитающих 7,8. Растения не могут за заразились человеческими патогенами, минимизируяпотенциальное загрязнение 9. Как переходные, так и трансгенные растительные белковые экспрессии могут быть использованы в качестве более низкой стоимости альтернатив млекопитающих или бактериальных производственныхсистем 10. Хотя трансгенные растения являются предпочтительными для производства сельскохозяйственных культур, рекомбинантное производство белка с использованием этого метода может потребовать от нескольких недель до нескольких месяцев. Достижения в переходной экспрессии с использованием вирусных векторов через шприц или вакуумную агроинфильтрацию позволяют для мелкого и крупномасштабного производства, соответственно,желаемого белка в дни 11,12,13,14. Производство mAbs против Эболы, Денге и, Зика, и многие другие рекомбинантные белки, были произведены и очищены быстро и эффективно с использованием преходящей экспрессии в N. benthamiana растений 15,16,17,18,19. Эти обстоятельства делают переходное растительное выражение привлекательным вариантом для разработки нескольких терапевтических средств Ab и методов, продемонстрированных в этомпротоколе 20.
Мабы первого поколения были получены из мурина, что привело к неспецифической иммуногенности при использовании в испытаниях на людях21. Со временем, химерные, гуманизированные, и в конечном итоге, полностью человека Abs были произведены для уменьшения иммуногенности, вызванной Ab терапии. К сожалению, некоторые из этих Абс до сих пор вызывают хозяина иммуногенности из-за различий в гликозиляции21. Разработки в области машиностроения позволили модификации Ab гликанов, что имеет важное значение, поскольку стабильность Ab и функции могут значительно зависеть от его гликозилированиягосударства 22. Достижения позволили производить в растительных системах высокоуровневое выражение гуманизированных мабов, содержащих человеческие гликаны и, как следствие, желаемые биологические черты массовогопроизводства человеческой фармацевтической 19,21.
В дополнение к рекомбинантным Абс, Ab синтеза молекул (Ab слияний) были изучены для различных целей в последние десятилетия. Ab слияния часто состоят из Ab или Ab фрагмент сливается с молекулой или белком и предназначены для получения ответов от иммунных клеток-эффекторов23. Эти молекулы были созданы в качестве потенциальных терапевтических мероприятий для лечения различных патологий, таких как рак и аутоиммунные заболевания24,25,26,27. Рекомбинантные иммунные комплексы (РИК) являются еще одним классом Аб синтезов, которые были использованы в качестве вакциныкандидатов 28. РИК воспользоваться способностью иммунной системы распознавать Fc регионов Ab слияний и были найдены для улучшения иммуногенности в сочетании с другими платформамивакцины 29,30,31.
Зеленый флуоресцентный белок (GFP) является биолюминесцентный белок, полученный из медузы Aequorea Виктория, которая излучает зеленый свет, когда возбужденных ультрафиолетовымсветом 32,33. На протяжении многих лет, использование GFP в качестве визуального маркера экспрессии генов расширилась от экспрессии в кишечной палочке до многочисленных систем экспрессии белка, в том числе N. benthamiana растений 34,35,36,37,38. Видимые маркеры, такие как GFP, имеют обильные последствия в преподавании и изучении научных концепций. Многочисленные студенты начального уровня описывают трудности с пониманием научных концепций, когда идея преподается не видна невооруженным глазом, такие как понятия молекулярной биологии и смежныхобластях 39. Таким образом, визуальные маркеры, такие как GFP, могут способствовать обработке информации, связанной с научными процессами, и могут помочь уменьшить трудности, с которыми сталкиваются учащиеся при изучении многочисленных научных концепций.
Хотя GFP часто используется в качестве маркера для обозначения гена и экспрессии in vivo,трудно визуализировать его в процессах ниже по течению при использовании кислых условий. Это обстоятельство в первую очередь потому, что GFP не поддерживает свою структуру и в результате флуоресценции при низкомрН 40. Временные кислые среды часто требуются в различных процессах очистки, таких как белок G, белок А и белок L хроматографии, часто используется для очистки Ab41,42,43,44. Мутанты GFP были использованы для сохранения флуоресценции в кислыхусловиях 45,46.
В этом примере мы описываем простой метод выражения, экстракции и очистки рекомбинантных белков синтеза IgG в растениях N. benthamiana. Мы произвели традиционный GFP, слитый с N-термином гуманизированной тяжелой цепи IgG, создавая синтез GFP-IgG. Параллельно мы разработали слияние оптимизированной заводом последовательности для кислотно-стабильной GFP (asGFP) с N-термином гуманизированной тяжелой цепи IgG, создавая синтез asGFP-IgG. Преимущества производства GFP-IgG включают в себя способность визуализировать наличие целевого белка во время экспрессии, в то время как ASGFP-IgG позволяет видеть наличие рекомбинантного белка не только в этапах экспрессии и экстракции, но и в этапах очистки белка. Этот протокол может быть адаптирован для производства, очистки и визуализации ряда белков синтеза GFP, производимых в N. benthamiana и очищенных с использованием методов хроматографии, которые требуют низкого рН. Этот процесс также может быть адаптирован к различным количествам листового материала. Хотя Абс и синтез белков помечены GFP или asGFP не предназначены для использования для терапии, эти методы могут быть полезны в качестве контроля во время экспериментов, а также могут быть дополнительно использованы в качестве учебного пособия для молекулярной и клеточной биологии и биотехнологии, как лично, так и виртуально.
1. Культивировать растения N. benthamiana
2. Подготовка агробактерий tumefaciens для инфильтрации
ПРИМЕЧАНИЕ: GFP-IgG термоядерные конструкции могут быть получены, как описано в этой статье31. Ген asGFP был получен и оптимизирован растением из этого исследования45. Следующие шаги должны быть сделаны рядом с горелкой Bunsen, и основные асептические методы должны быть применены, чтобы избежать загрязнения.
3. Игла-менее шприц агроинфильтрации
4. Расти и наблюдать проникли Н. benthamiana
5. Извлечение белка
6. Процедура хроматографии колонки белка G
ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол, описанный здесь для гравитационного потока хроматографии с использованием пирс белка G агарозы смолы. При использовании другой смолы, обратитесь к инструкциям производителя для корректировки. Никогда не позволяйте смолы иссякнуть и предотвратить все жидкости от слива. Повторите розетку по мере необходимости.
7. SDS-PAGE для обнаружения синтеза GFP-Ig
Это исследование демонстрирует простой и быстрый метод производства рекомбинантных белков и визуализации их во всех процессах вниз по течению. Используя N. benthamiana и следуя предоставленного протокола, рекомбинантное производство белка, описанное здесь, может быть достигнуто менее...
Этот протокол может быть использован для визуальной проверки любого рекомбинантного Ab или рекомбинантного белка, произведенного в растениях N. benthamiana, включая те, которые требуют временного воздействия кислой средыдля целей очистки столбца 42,43,
Авторов нечего раскрывать.
Мы благодарим Марию Пиа ДиПалма за редактирование видео. Мы также благодарим Управление по вопросам информационно-пропагандистской работы и студенческих услуг в Университете штата Аризона за их щедрую помощь в публикации. Исследование этого протокола было поддержано Школой наук о жизни, Университет штата Аризона.
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены