O presente protocolo descreve um método detalhado para a produção bacteriana de proteínas recombinantes, incluindo proteínas tipicamente insolúveis ou contendo ligação dissulfeto, embaladas dentro de vesículas ligadas à membrana extracelular. Isso tem potencial para ser aplicado a áreas versáteis da pesquisa científica, incluindo biotecnologia aplicada e medicina.
Este sistema inovador, usando uma etiqueta peptídica curta, que exporta múltiplas proteínas recombinantes em vesículas ligadas à membrana de E. coli, fornece uma solução eficaz para uma série de problemas associados à expressão de proteínas recombinantes bacterianas. Essas vesículas recombinantes compartimentam proteínas dentro de um microambiente que facilita a produção de proteínas de bactérias que de outra forma desafiam, tóxicas, insolúveis ou contendo ligações de dissulfeto. O rendimento proteico é aumentado consideravelmente quando comparado à expressão bacteriana típica na ausência da etiqueta peptídica nucleante da vesícula. A liberação de proteínas embaladas na vesícula suporta o isolamento do meio de cultura e permite o armazenamento de proteína ativa a longo prazo. Esta tecnologia dá origem ao aumento dos rendimentos de proteínas funcionais embaladas com vesículas para processamento simplificado a jusante para uma gama diversificada de aplicações, desde biotecnologia aplicada até ciência e medicina de descobertas. No presente artigo e no vídeo associado, um protocolo detalhado do método é fornecido, destacando etapas fundamentais na metodologia para maximizar a produção de vesículas preenchidas por proteína recombinante.
A bactéria Gram-negativa E. coli é um sistema atrativo para a produção de proteínas recombinantes em escala industrial e acadêmica. Não é apenas custo-efetivo e simples o cultivo em lotes de altas densidades, mas um amplo espectro de reagentes, cepas, ferramentas e promotores foram estabelecidos para promover a geração de proteínas funcionais em E. coli1. Além disso, técnicas de biologia sintética estão superando obstáculos tipicamente relacionados à aplicação de modificações pós-traducionais e enovelamento de proteínascomplexas2. A capacidade de direcionar a secreção de proteínas recombinantes em meios de cultura é atraente para melhorar o rendimento e reduzir os custos de fabricação. O empacotamento controlado de proteínas definidas pelo usuário em vesículas de membrana auxilia o desenvolvimento de produtos e tecnologias dentro das indústrias de biotecnologia aplicada e médica. Até o momento, faltavam métodos amplamente aplicáveis para a secreção de proteínas recombinantes de E. coli 3.
Eastwood e col. desenvolveram recentemente um método baseado em marcação de peptídeos para produzir e isolar vesículas contendo proteínas recombinantes de E. coli1. Este peptídeo nucleante de vesícula (VNp) permite a produção de vesículas de membrana bacteriana extracelular, nas quais a proteína recombinante de escolha pode ser direcionada para simplificar a purificação e o armazenamento da proteína-alvo, e permite rendimentos significativamente mais altos do que o normalmente permitido a partir de culturas de frascos agitados. Foram relatados rendimentos de cerca de 3 g de proteína recombinante por litro de cultura em frasco, com rendimentos >100x maiores do que aqueles obtidos com proteínas equivalentes sem a etiqueta VNp. Essas vesículas recombinantes enriquecidas com proteínas podem ser rapidamente purificadas e concentradas a partir do meio de cultura e fornecer um ambiente estável para armazenamento. Esta tecnologia representa um grande avanço na produção de proteína recombinante de E. coli. As vesículas compartimentalizam proteínas tóxicas e contendo ligação dissulfeto em uma forma solúvel e funcional, e suportam a purificação simples, eficiente e rápida de proteínas funcionais embaladas com vesículas para armazenamento de longo prazo ou processamento direto1.
As principais vantagens que essa tecnologia apresenta sobre as técnicas atuais são: (1) a aplicabilidade a uma variedade de tamanhos (1 kDa a >100 kDa) e tipos de proteínas; (2) facilitar a formação de ligações dissulfeto inter e intraproteínas; (3) aplicável a complexos multiproteicos; (4) pode ser usado com uma variedade de promotores e cepas padrão de E. coli de laboratório; (5) a geração de rendimentos de proteínas a partir de frascos agitados normalmente observados apenas em culturas de fermentação; as proteínas são exportadas e embaladas em vesículas ligadas à membrana que (6) fornecem um ambiente estável para o armazenamento da proteína solúvel ativa; e (7) simplifica o processamento a jusante e a purificação de proteínas. Esta ferramenta de proteína recombinante simples e econômica provavelmente terá um impacto positivo nas indústrias de biotecnologia e médica, bem como na ciência da descoberta.
Aqui, um protocolo detalhado, desenvolvido ao longo de vários anos, descreve as condições ideais para produzir vesículas cheias de proteínas recombinantes a partir de bactérias com a tecnologia VNp. Imagens de exemplo desse sistema na prática são mostradas, com uma proteína fluorescente sendo expressa, permitindo a visualização da presença de vesículas durante diferentes etapas de produção, purificação e concentração. Finalmente, são fornecidas orientações sobre como usar imagens de células vivas para validar a produção de vesículas contendo fusão de VNp a partir das bactérias.
O trabalho bacteriano realizado segue as regulamentações locais, nacionais e internacionais de contenção de biossegurança adequadas ao nível de risco de biossegurança particular de cada cepa.
1. Seleção de diferentes VNps
2. Cultura de células bacterianas e indução de proteínas
NOTA: As estirpes bacterianas normalmente utilizadas neste protocolo são Escherichia coli BL21 (DE3) ou W3110. As células de E. coli são cultivadas em caldo lisogênico (LB) (10 g/L triptona; 10 g/L NaCl; 5 g/L extrato de levedura) ou caldo fantástico (TB) (12 g/L triptona; 24 g/L extrato de levedura; 4 mL/L 10% glicerol; 17 mM KH 2 PO 4; 72 mM K2HPO4, sais autoclavados separadamente) (ver Tabela de Materiais). Imagens de exemplo mostrando cada etapa da indução da proteína e subsequente processo de isolamento e purificação são mostradas na Figura 2.
3. Isolamento de vesículas recombinantes
4. Liberação de proteínas solúveis de vesículas isoladas
5. Determinação da concentração de proteínas
6. Visualização da formação de vesículas e vesículas isoladas por microscopia de fluorescência
NOTA: Se as células contiverem marcadores de fusão ou membrana de VNp marcados fluorescentemente, a imagem de células vivas pode ser usada para acompanhar a formação de vesículas. Alternativamente, corantes lipídicos fluorescentes podem ser usados para visualizar vesículas para confirmar a produção e purificação.
BL21 DE3 E. coli contendo o construto de expressão VNp6-mNeongreen foram cultivadas até a fase logarítmica tardia (Figura 2A). A expressão de VNp6-mNeongreen foi induzida pela adição de IPTG à cultura (concentração final de 20 μg/mL ou 84 μM), que foi posteriormente deixada para crescer durante a noite a 37 °C com agitação vigorosa (200 rpm, lançamento orbital de ≥25 mm). Na manhã seguinte, a cultura mostrou fluorescência7 mNeongreen (Figura 2B), que permaneceu visível na mídia após a remoção das células bacterianas por centrifugação (Figura 2C). A presença de VNp-mNeongreen no interior da cultura e dos meios de cultura limpos foi confirmada por SDS-PAGE (Figura 2D). As vesículas contendo mNeongreen foram isoladas em um filtro MCE de 0,1 μm (Figura 2E) e ressuspensas em PBS (Figura 2F). As vesículas purificadas foram posteriormente montadas em uma almofada de agarose (Figura 3A-C) e imageadas usando microscopia de fluorescência de campo largo (Figura 4A). A presença de membranas vesiculares foi confirmada pelo corante lipofílico fluorescente FM4-64 (Figura 4B). As células de E. coli que expressam a proteína CydB da membrana interna fusionada a mNeongreen (verde) e VNp6-mCherry2 (magenta)8 mostram produção de vesículas e inserção de carga em células bacterianas vivas (Figura 4C). As figuras 4A,B foram captadas em microscópio de fluorescência de campo largo, enquanto a Figura 4C foi adquirida em microscopia de iluminação estruturada (SIM), utilizando-se métodos descritosanteriormente9,10.
Figura 1: Resumo da tecnologia VNp desde a concepção de uma estratégia de clonagem até a purificação e armazenamento de vesículas extracelulares . (A) Esquema de uma proteína típica de fusão de VNp. VNp no terminal NH2, seguido por um ligante flexível e uma combinação apropriada de tags de afinidade e fluorescência (Tag1, Tag 2, local de clivagem de protease [por exemplo, TEV]) e proteína de interesse. (B) Diagrama esquemático resumindo o protocolo para a expressão e purificação de vesículas de membrana preenchidas por proteínas recombinantes de E. coli. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Etapas de produção e purificação das vesículas VNp6-mNg. Culturas de células de E. coli contendo a expressão de VNp-mNeongreen foram construídas em luz azul antes (A) ou após (B) expressão induzida por IPTG da proteína de fusão. As células de (B) foram removidas por centrifugação, deixando vesículas preenchidas com VNp-mNeongreen no meio (C). (D) Amostras equivalentes de A, B e C foram analisadas por SDS-PAGE e coloração de coomassie. As vesículas foram isoladas em um filtro de 0,1 μm (E) e posteriormente lavadas em um volume apropriado de tampão (F). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Procedimento de montagem celular para obtenção de imagens de vesículas e produção de vesículas. (A-C) O método da almofada de agarose e (D-F) o método PEI para a montagem de células de E. coli na lamínula. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Imagens microscópicas de vesículas recombinantes de VNp. Imagens de emissão verde (A) e vermelha (B) de diferentes campos de vesículas contendo FM4-64 marcadas com VNp6-mNeongreen montadas em uma almofada de agarose. (C) Imagens de células de E. coli expressando a proteína de membrana interna CydB fusionada a mNeongreen (verde) e VNp6-mCherry2 (magenta) mostram a produção de vesículas e inserção de carga em células bacterianas vivas. (A,B) foram obtidas usando microscópio de fluorescência de campo largo, enquanto (C) foi adquirida usando microscopia de iluminação estruturada (SIM). Barras de escala: (A,B) = 10 μm; (C) = 1 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O método marcado com peptídeo amino-terminal para a produção de proteínas recombinantes descrito acima é um processo simples, que consistentemente produz grandes quantidades de proteína que podem ser eficientemente isoladas e/ou armazenadas por meses.
É importante destacar as principais etapas do protocolo que são necessárias para o uso ideal desse sistema. Em primeiro lugar, a etiqueta VNp1 deve estar localizada no terminal N, seguida da proteína de interesse e das etiquetas apropriadas. Também é importante evitar o uso de antibióticos que têm como alvo a camada peptidoglicana, como a ampicilina.
Em termos de condições de crescimento, meios ricos (por exemplo, meios LB ou TB) e uma alta relação área:volume são necessários para maximizar a produção de vesículas. A temperatura ótima para a produção de vesículas extracelulares é de 37 °C, mas as condições tipicamente necessárias para a expressão da proteína de interesse também devem ser consideradas. Para temperaturas de indução mais baixas, deve-se usar VNp6. Crucialmente, a indução do promotor T7 deve ser obtida usando não mais do que 20 μg/mL (84 μM) de IPTG quando as células atingirem um OD600 de 0,8-1,0. As proteínas expressas usando o sistema atingem a produção máxima de vesículas em 4 h ou após a indução noturna.
Apesar da simplicidade deste protocolo, ele requer otimização. A fusão da variante VNp, as temperaturas de expressão e os períodos de tempo de indução podem diferir dependendo da proteína de interesse. Além disso, há necessidade de otimizar a purificação e subsequente concentração de vesículas extracelulares do meio. O procedimento atual não é escalável e pode ser demorado. Essas são as limitações dessa metodologia.
A tecnologia VNp apresenta muitas vantagens em relação aos métodos tradicionais2. Permite a exportação vesicular de diversas proteínas, sendo o tamanho máximo expresso com sucesso até o momento de 175 kDa para vesículas que permanecem internas e 85 kDa para as que são exportadas. Além disso, essa tecnologia pode aumentar significativamente o rendimento de proteínas recombinantes com uma variedade de propriedades físicas e atividades. As vesículas exportadas contendo a proteína de interesse podem ser isoladas por filtração simples do meio pré-desembaraçado e podem ser posteriormente armazenadas, em meio de cultura estéril ou tamponamento, a 4 °C por vários meses.
As aplicações desse sistema são diversas, desde a ciência da descoberta até a biotecnologia aplicada e a medicina (por exemplo, através da produção de terapêuticas funcionais)3. A facilidade de produção, o processamento a jusante e o alto rendimento são qualidades atraentes nessas áreas e, especialmente, na indústria.
Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes ou outros conflitos de interesse.
Os autores agradecem a diversos usuários do Twitter que levantaram questões sobre o protocolo apresentado no artigo que descreve a tecnologia VNp. A Figura 1A foi gerada usando ícones de flaticon.com. Este trabalho foi financiado pela Universidade de Kent e financiado pelo Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BB/T008/768/1 e 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 |
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