В настоящем протоколе подробно описан способ бактериальной продукции рекомбинантных белков, включая типично нерастворимые или содержащие дисульфидные связи белки, упакованные внутри везикул, связанных с внеклеточной мембраной. Это может быть применено к различным областям научных исследований, включая прикладную биотехнологию и медицину.
Эта инновационная система, использующая короткую пептидную метку, которая экспортирует несколько рекомбинантных белков в мембраносвязанных везикулах из кишечной палочки, обеспечивает эффективное решение ряда проблем, связанных с экспрессией бактериального рекомбинантного белка. Эти рекомбинантные везикулы разделяют белки в микросреде, что способствует производству белков, содержащих сложные токсичные, нерастворимые или дисульфидные связи, из бактерий. Выход белка значительно увеличивается по сравнению с типичной экспрессией бактерий в отсутствие пептидной метки, образующей зародышеобразование везикул. Высвобождение белков, упакованных в везикулы, поддерживает изоляцию от питательной среды и обеспечивает долгосрочное активное хранение белка. Эта технология приводит к увеличению выхода функциональных белков, упакованных в везикулы, для упрощенной последующей обработки для широкого спектра применений от прикладной биотехнологии до научных открытий и медицины. В настоящей статье и связанном с ней видео приведен подробный протокол метода, в котором выделены ключевые шаги в методологии для максимизации производства везикул, заполненных рекомбинантным белком.
Грамотрицательные бактерии E. coli являются привлекательной системой для производства рекомбинантного белка как в промышленном, так и в академическом масштабе. Культивирование партиями с высокой плотностью не только рентабельно и просто, но и создан широкий спектр реагентов, штаммов, инструментов и промоторов для стимулирования генерации функциональных белков в E. coli1. Кроме того, методы синтетической биологии в настоящее время преодолевают препятствия, обычно связанные с применением посттрансляционных модификаций и сворачивания сложных белков2. Способность нацеливаться на секрецию рекомбинантных белков в питательные среды привлекательна для повышения выхода и снижения производственных затрат. Контролируемая упаковка определяемых пользователем белков в мембранные везикулы способствует разработке продуктов и технологий в прикладной биотехнологии и медицинской промышленности. До сих пор не хватало широко применимых методов секреции рекомбинантных белков из E. coli 3.
Eastwood et al. недавно разработали основанный на пептидной маркировке метод получения и выделения рекомбинантных белковых везикул из E. coli1. Этот нуклеирующий пептид везикул (VNp) позволяет производить внеклеточные бактериальные мембранные везикулы, в которые может быть нацелен выбранный рекомбинантный белок для упрощения очистки и хранения целевого белка, и обеспечивает значительно более высокие выходы, чем обычно допускается при встряхивании колбовых культур. Сообщалось о выходах около 3 г рекомбинантного белка на литр культуры колбы, при этом выходы в > 100 раз выше, чем у эквивалентных белков, лишенных метки VNp. Эти рекомбинантные везикулы, обогащенные белкомбинами, могут быть быстро очищены и сконцентрированы из питательных сред и обеспечивают стабильную среду для хранения. Эта технология представляет собой крупный прорыв в производстве рекомбинантного белка E. coli. Везикулы разделяют токсичные и дисульфидные белки, содержащие белки в растворимой и функциональной форме, и поддерживают простую, эффективную и быструю очистку функциональных белков, упакованных в везикулы, для длительного хранения или прямой обработки1.
Основными преимуществами этой технологии по сравнению с существующими методами являются: (1) применимость к диапазону размеров (от 1 кДа до >100 кДа) и типов белка; (2) содействие образованию межбелковых и внутрибелковых дисульфидных связей; (3) применимо к мультибелковым комплексам; (4) может использоваться с рядом промоторов и стандартных штаммов лабораторной кишечной палочки ; (5) получение выходов белков из встряхивающих колб, обычно наблюдаемых только с ферментационными культурами; Белки экспортируются и упаковываются в связанные с мембраной везикулы, которые (6) обеспечивают стабильную среду для хранения активного растворимого белка; и (7) упрощает последующую обработку и очистку белка. Этот простой и экономичный рекомбинантный белковый инструмент, вероятно, окажет положительное влияние на биотехнологическую и медицинскую промышленность, а также на науку открытий.
Здесь подробный протокол, разработанный в течение нескольких лет, описывает оптимальные условия для получения рекомбинантных везикул, заполненных белком, из бактерий с помощью технологии VNp. Показаны примеры изображений этой системы на практике с экспрессией флуоресцентного белка, что позволяет визуализировать присутствие везикул на разных стадиях производства, очистки и концентрации. Наконец, предоставляется руководство о том, как использовать визуализацию живых клеток для проверки производства везикул, содержащих слияние VNp, из бактерий.
Проводимая работа с бактериями проводится в соответствии с местными, национальными и международными правилами сдерживания биобезопасности, соответствующими конкретному уровню опасности биобезопасности каждого штамма.
1. Выбор различных виртуальных машин
2. Культивирование бактериальных клеток и индукция белка
ПРИМЕЧАНИЕ: Бактериальные штаммы, обычно используемые в этом протоколе, представляют собой Escherichia coli BL21 (DE3) или W3110. Клетки E. coli культивируют в лизогенного бульоне (LB) (10 г/л триптона; 10 г/л NaCl; 5 г/л дрожжевого экстракта) или потрясающем бульоне (TB) (12 г/л триптона; 24 г/л дрожжевого экстракта; 4 мл/л 10% глицерина; 17 мМ KH 2 PO 4; 72 мМ K2HPO4, соли автоклавируют отдельно) (см. Таблицу материалов). Примеры изображений, показывающих каждый этап индукции белка и последующий процесс выделения и очистки, показаны на рисунке 2.
3. Выделение рекомбинантных везикул
4. Высвобождение растворимого белка из изолированных везикул
5. Определение концентрации белка
6. Визуализация образования везикул и изолированных везикул методом флуоресцентной микроскопии
ПРИМЕЧАНИЕ: Если клетки содержат флуоресцентно меченные VNp слияние или мембранные маркеры, визуализация живых клеток может быть использована для отслеживания образования везикул. В качестве альтернативы флуоресцентные липидные красители могут быть использованы для визуализации везикул для подтверждения производства и очистки.
BL21 DE3 E. coli, содержащие конструкцию экспрессии VNp6-mNeongreen, были выращены до поздней логарифмической фазы (рис. 2A). Экспрессию VNp6-mNeongreen индуцировали добавлением IPTG в культуру (конечная концентрация 20 мкг/мл или 84 мкМ), которую впоследствии оставляли расти в течение ночи при 37 °C при энергичном встряхивании (200 об/мин, орбитальный бросок ≥25 мм). На следующее утро культура показала флуоресценциюmNeongreen 7 (рис. 2B), которая оставалась видимой в среде после удаления бактериальных клеток центрифугированием (рис. 2C). Присутствие VNp-mNeongreen в культуре и очищенных питательных средах было подтверждено SDS-PAGE (рис. 2D). Везикулы, содержащие mNeongreen, были выделены на 0,1 мкм фильтре MCE (рис. 2E) и ресуспендированы в PBS (рис. 2F). Очищенные везикулы впоследствии устанавливали на агарозную подушку (рис. 3A-C) и визуализировали с помощью широкопольной флуоресцентной микроскопии (рис. 4A). Наличие мембран везикул было подтверждено с помощью липофильного флуоресцентного красителя FM4-64 (рис. 4B). Клетки E. coli, экспрессирующие белок внутренней мембраны CydB, слитые с mNeongreen (зеленый) и VNp6-mCherry2 (пурпурный)8, демонстрируют продукцию везикул и вставку груза в живые бактериальные клетки (рис. 4C). Рисунки 4A,B были получены с помощью широкопольного флуоресцентного микроскопа, в то время как рисунок 4C был получен с помощью структурированной световой микроскопии (SIM) с использованием методов, описанных ранее 9,10.
Рисунок 1: Краткое изложение технологии VNp от разработки стратегии клонирования до очистки и хранения внеклеточных везикул . (A) Схема типичного белка слияния VNp. VNp на конце NH2, за которым следует гибкий линкер и соответствующая комбинация меток аффинности и флуоресценции (Tag1, Tag 2, сайт расщепления протеазы [например, TEV]) и интересующий белок. (B) Принципиальная схема, обобщающая протокол экспрессии и очистки мембранных везикул, заполненных рекомбинантным белком, от кишечной палочки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Стадии производства и очистки везикул VNp6-mNg. Культуры клеток E. coli, содержащие экспрессию VNp-mNeongreen, конструируют в синем свете либо до, либо после (B) индуцированной IPTG экспрессии белка слияния. Клетки из (B) удаляли центрифугированием, оставляя в среде (C) везикулы, заполненные VNp-mNeongreen. (D) Эквивалентные образцы из A, B и C были проанализированы с помощью SDS-PAGE и окрашивания coomassie. Везикулы выделяли на фильтр 0,1 мкм (E) и затем смывали в соответствующий объем буфера (F). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Процедура крепления клеток для визуализации везикул и производства везикул. (A-C) Метод агарозной прокладки и (D-F) метод PEI для крепления клеток E. coli на покровное стекло. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Микроскопические изображения рекомбинантных везикул VNp. Зеленые (A) и красные (B) изображения излучения из разных полей FM4-64, меченных VNp6-mNeongreen-содержащими везикулами, установленными на агарозной подушке. (C) Визуализация клеток E. coli , экспрессирующих белок внутренней мембраны CydB, слитый с mNeongreen (зеленый) и VNp6-mCherry2 (пурпурный), показывает продукцию везикул и вставку груза в живые бактериальные клетки. (A, B) были изображены с помощью широкопольного флуоресцентного микроскопа, а (C) были получены с помощью микроскопии структурированного освещения (SIM). Масштабные линейки: (A,B) = 10 мкм; (C) = 1 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Описанный выше метод получения рекомбинантных белков, меченный аминоконцевыми пептидами, представляет собой простой процесс, при котором последовательно получается большое количество белка, которое может быть эффективно выделено и/или храниться в течение нескольких месяцев.
Важно выделить ключевые шаги в протоколе, которые необходимы для оптимального использования этой системы. Во-первых, меткаVNp 1 должна быть расположена на N-конце, за ней следует интересующий белок и любые соответствующие метки. Также важно избегать использования антибиотиков, которые нацелены на пептидогликановый слой, таких как ампициллин.
С точки зрения условий роста, для максимизации производства везикул необходимы богатые среды (например, среды LB или TB) и высокое соотношение площади поверхности и объема. Оптимальная температура для производства внеклеточных везикул составляет 37 ° C, но также необходимо учитывать условия, обычно необходимые для экспрессии интересующего белка. Для более низких температур индукции необходимо использовать VNp6. Важно отметить, что индукция промотора Т7 должна быть достигнута с использованием не более 20 мкг / мл (84 мкМ) IPTG, как только клетки достигают OD600 0,8-1,0. Белки, экспрессируемые с помощью системы, достигают максимальной продукции везикул либо через 4 часа, либо после ночной индукции.
Несмотря на простоту этого протокола, он требует оптимизации. Вариант слияния VNp, температуры экспрессии и периоды времени индукции могут различаться в зависимости от интересующего белка. Кроме того, необходимо оптимизировать очистку и последующую концентрацию внеклеточных везикул из сред. Текущая процедура не масштабируется и может занять много времени. Таковы ограничения этой методологии.
Технология VNp имеет много преимуществ по сравнению с традиционными методами2. Он позволяет везикулярно экспортировать различные белки, при этом максимальный размер, успешно выраженный на сегодняшний день, составляет 175 кДа для везикул, которые остаются внутренними, и 85 кДа для тех, которые экспортируются. Кроме того, эта технология может значительно увеличить выход рекомбинантных белков с рядом физических свойств и активностей. Экспортируемые везикулы, содержащие интересующий белок, могут быть выделены простой фильтрацией из предварительно очищенной среды и впоследствии могут храниться в стерильных питательных средах или буфере при 4°С в течение нескольких месяцев.
Применение этой системы разнообразно: от науки об открытиях до прикладной биотехнологии и медицины (например, через производство функциональных терапевтических средств)3. Простота производства, последующая переработка и высокая производительность являются привлекательными качествами в этих областях и особенно в промышленности.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов или других конфликтов интересов.
Авторы благодарят различных пользователей Twitter, которые подняли вопросы о протоколе, представленном в статье, описывающей технологию VNp. Рисунок 1A был сгенерирован с использованием значков из flaticon.com. Эта работа была поддержана Кентским университетом и финансировалась Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам (BB/T008/768/1 и BB/S005544/1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ampicillin | Melford | 69-52-3 | |
Chloramphenicol | Acros Organics (Thermofisher Scientific) | 56-75-7 | |
E. coli BL21 (DE3) | Lab Stock | N/A | |
E. coli DH10β | Lab Stock | N/A | |
Filters for microscope | Chroma | ||
FM4-64 | Molecular Probes (Invitrogen) | T-3166 | Dissolved in DMSO, stock concentration 2 mM |
ImageJ | Open Source | Downloaded from: https://imagej.net/ij/index.html | |
Inverted microscope | Olympus | ||
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Melford | 367-93-1 | |
Kanamycin sulphate | Gibco (Thermofisher Scientific) | 11815-024 | |
LED light source for micrscope | Cairn Research Ltd | ||
Lysogeny Broth (LB) / LB agar | Lab Stock | N/A | 10 g/L Tryptone; 10 g/L NaCl; 5 g/L Yeast Extract (1.5 g/L agar) |
Metamorph imaging software | Molecular Devices | ||
MF-Millipore Membrane filter (0.1 µm, MCE) | Merck | VCWP04700 | |
Millipore Express PLUS membrane filter (0.45 µm, PES) | Merck | HPWP04700 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Lab Stock | N/A | |
Plasmids allowing expression of protein of interest with different VNp amino terminal fusions | Addgene | https://www.addgene.org/Dan_Mulvihill/ | |
Terrific Broth (TB) | Lab Stock | N/A | 12 g/L Tryptone; 24 g/L Yeast Extract; 4 ml/L 10% glycerol; 17 mM KH2PO4 72 mM K2HPO4 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеСмотреть дополнительные статьи
This article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены