Evrim Yöntemi yönettiği<em&gt; Saccharomyces cerevisiae</em&gt;: Mutant Kütüphane Oluşturma ve Tarama

Özet

We present a detailed protocol to construct and screen mutant libraries for directed evolution campaigns in Saccharomyces cerevisiae.

Özet

In vivo yüksek frekans homolog DNA rekombinasyon bağlanmış inşaat, klonlama ve mutant kütüphanelerin ifadesini içeren bir süreç biyoteknolojik uygulamalar için enzimler tasarlarken Saccharomyces cerevisiae yönlendirilmiş evrim çok çekici avantajlar sunuyor. Burada, toplam etkinliğini arttırmak için bir mantar aril-alkol oksidaz (AAO) örneğine dayalı olarak maya ve ekran mutant kütüphaneleri oluşturmak için bir protokol mevcut. İki protein kesimleri rastgele mutagenezi ile ve in vivo DNA yeniden birleştirmesinden odaklı yönelik evrim tabi tutuldu. Her bir segment kuşatan 50 bp çıkıntıları tam kendiliğinden kopyalanan plazmidin sebebiyet veren bir doğrusallaştırılmış vektörde AAO-füzyon geninin, doğru yeniden birleştirme sağladı. Fonksiyonel AAO türevleri ile zenginleştirilmiş mutant kütüphaneler S. tarandı Fenton tepkimesi göre hassas bir yüksek verimli bir deney ile cerevisiae süpernatanlar. genel prosesS. kütüphane inşaat cerevisiae ilave PCR reaksiyonları, in vitro DNA rekombinasyon ve ligasyon adımlarından kaçınmak, burada açıklanan kolaylıkla diğer ökaryotik genlerin gelişmeye uygulanabilir.

Giriş

Yönetmen moleküler evrim enzimleri ^{1, 2} tasarlamak için bir, sağlam, hızlı ve güvenilir bir yöntemdir. Doğal olmayan olarak, yeni reaksiyonlarda, yeni yüzeylerde hareket rastgele mutasyon, rekombinasyon ve tarama, enzimlerin geliştirilmiş versiyonları oluşturulabilir yinelenen mermi ile ortamlarda, hatta yeni metabolik hedeflere ^3-5 ulaşmak için hücreyi yardımcı olmak. Yönlendirilmiş evrim kullanılan bilgisayarlar arasında, bira mayası Saccharomyces cerevisiae prokaryotik meslektaşları ^6,7 aksi bulunmayan karmaşık ökaryotik proteinlerin fonksiyonel ifade çözümler bir repertuar sunuyor.

Hücre biyolojisi çalışmalarında etraflıca kullanılan bu küçük ökaryot modeli yönlendirilmiş evrim ⁸ tarafından enzimleri mühendisi önemli özellikleri bütün bunlar post-translasyonel modifikasyonlar, manipülasyon ve dönüşüm verimliliği kolaylığı açısından birçok avantajı vardır. Ayrıca, yüksek frekanslıS. homolog DNA rekombinasyon onun etkin proof-okuma aygıtı bağlanmış cerevisiae karmaşık yapay yolların ^9-12 tek enzimlerin farklı sistemlerin evrimi teşvik, in vivo kütüphane oluşturma ve gen montaj olanakları geniş bir yelpazeye açar. Laboratuvarımız maya farklı linyinaz moleküler evrim (doğal ahşap çürüme sırasında lignin parçalanması ile ilgili oksiredüktazlan) ^13-14 için araçlar ve stratejiler tasarlanması son on harcadı. Bu iletişimde, biz hazırlamak ve S. ekran mutant kütüphaneleri için ayrıntılı bir protokol mevcut Model flavooxidase, -aril alkol oksidazı cerevisiae (AAO ¹⁵⁾ -, kolayca diğer enzimlere tercüme edilebilir. Maya hücre aparatı ^16, bir yardım: (Homolog in vivo Gruplama tarafından mutajenik Organize Rekombinasyon Süreci Morphing) protokolü odaklanmış yönlendirilmiş evrim yöntemini içerirKültür suyu ¹⁷ salgılanan AAO aktivitesi tespit etmek için Fenton tepkimesi göre da çok hassas bir tarama deneyi.

Protokol

1. Mutant Kütüphanesi İnşaatı

1. Seçim bölgeler, mevcut kristal yapı ya da homoloji model ¹⁸ göre bilgisayar algoritmaları yardımıyla geçişin maruz bırakılması.
   1. Burada, rastgele mutagenez ve rekombinasyon (Met [α1] -Val109, Phe392-Gln566), yüksek sadakat PCR ile gen (844 bp) geri kalan yükseltme sırasında (Şekil 1) için Pleurotus eryngii gelen AAO iki bölgesini hedef.
      Not: Birkaç segmentler bağımsız veya kombine şekilde ¹⁶ geçişin ele alınabilir.
2. mutajenik PCR ile hedeflenen bölgelere yükseltin. tanımlı bölgelerin PCR reaksiyonları atma kesimleri arasında alanları (~ 50 bp her) üst üste oluşturun.
   1. DNA şablonu ihtiva eden 50 ul (0.92 ng / | il), 90 nM oligo sens (kademeli bir MI ve kademeli bir M-II AAO-BP RMLN) içindeki bir nihai hacimde segmentler mutajenik PCR Hazırlama 90 nmntisense primeri (kademeli bir M-II için kademeli bir MI ve RMLC için AAO-92C), 0.3 mM dNTP (0.075 mM),% 3 (h / h) dimetilsülfoksit (DMSO), 1.5 mM _MgCl2, 0.05 mM _MnCl2 ve 0.05 U / ul Taq DNA polimerazı. Primerler dizileri Şekil 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
   2. Aşağıdaki PCR programı kullanarak: 2 dakika boyunca (1 döngü) 95 ° C; 45 saniye, 45 saniye, 50 ° C, 45 sn için 74 ° C (28 döngü) 95 ° C; 10 dakika boyunca (1 döngü) 74 ° C.
3. ultra-yüksek sadakat polimeraz olmayan mutajenik bölgeleri yükseltmek ve mutajenik segmentleri ve / veya doğrusallaştırılmış vektör çıkıntılar üst üste gelen alanları bulunmaktadır.
   1. ihtiva eden 50 ul'lik bir son hacim içinde, reaksiyon karışımları hazırlayın: DNA numunesi (0.2 ng / | il), 250 nM oligo sens HFF, 250 nM oligo antisens HFR, 0.8 mM dNTP (0.2 mM her biri),% 3 (h / h) dimetilsülfoksit (DMSO) ve DNA polimerazı iproof 0.02 U / ul. Astarlar dizileri ayrıntılı olarak Şekil 1.
   2. Aşağıdaki PCR programı kullanın: 30 sn (1 döngü) için 98 ° C; 10 saniye, 25 saniye boyunca 55 ° C, 45 saniye için 72 ° C (28 döngü) 98 ° C; 10 dakika boyunca (1 döngü) 72 ° C.
      Not: 1.2 açıklanan koşullara ve 43 bp (plazmid-M1 bölge) 1.3 örtüştüğü ile; 46 bp (M1 bölge HF bölge); 47 bp (HF bölge M2 bölge) ve 61 bp (M2 Bölge- plazmid) maya in vivo ekleme de lehine (Şekil 1) tasarlanmıştır.
   3. imalatçının protokolüne göre, ticari bir jel özütleme kiti (mutajenik ve mutajenik) bütün PCR fragmanları arındırın.
4. Yaklaşık 50 bp'lik komşu bölgeleri hedef genin 5'- ve 3'-ucuna homolog olan oluşturulur, öyle ki vektör linearize.
   1. 2 ug DNA, 7.5 U Bam HI, 7.5 U Xho I, Tampon Ba 20 ug BSA ve 2 ul içeren bir doğrusallaştırma reaksiyon karışımı hazırlayın20 ul nihai hacim içinde m HI 10x.
   2. 2 saat ve 40 dakika boyunca 37 ° C'de reaksiyon karışımı inkübe edin. Daha sonra, 20 dakika boyunca 80 ° C 'de inaktivasyonu devam edin.
5. Kalan dairesel plazmid (Şekil 2) ile kirlenmesini önlemek için agaroz jel ekstraksiyon tarafından lineerleştirilebilir vektörü arındırın.
   1. de bir muhabir bitişik reaksiyon karışımı ayrıca bir alikosu (5 ul) (v, w% 0.75), bir yarı-preparatif düşük erime noktalı agaroz jel mega kuyuya sindirim Reaksiyon karışımı yükleyin.
   2. Run DNA elektroforezi (elektrotlar arasında 5 V / cm, 4 ᵒC) ve mega-kuyuya gelen agaroz jel ayırmak ve 1x TAE 4 ᵒC sıcaklıkta saklayın.
   3. molekül ağırlığı merdiven ve raportör ile sokağın Leke. UV ışık altında bantları gözünüzde canlandırın. Nick pozisyon Lineerleştirilmiş vektör yerleştirir.
      Not: saflaştırılmıştır lineer vektör kalitesi great.Thanks olduğucal faktör maya başarılı rekombinasyon ve montaj, yarı hazırlayıcı DNA elektroforezi için jel boyama kaçının. Boyalar ve jel ekstraksiyonu için, UV'ye maruz kalmadan kullanılması, in vivo rekombinasyon verimliliği ödün, DNA vektörünün stabilitesini etkileyebilir. Toksik EtBr boyalar alternatif olarak, jel Kırmızı ve SYBR boyalar genel olarak jel boyama için kullanılır.
   4. UV ışık yokluğunda, bu izole edilebilir ve böylece lekeli raportör şeritte sıyrık yol göstericiliği kullanılarak Mega oyuklu fragmanında lineer vektör tanımlar.
   5. agarozdan lineer vektör çıkarın ve üreticinin protokolüne uygun olarak, ticari bir jel özütleme kiti ile saflaştırılması.
      Not: antibiyotik ve oksotrofi işaretleri kullanan yüksek kopya epizomal mekik vektörleri: Bu maya GAL1 promoterinin kontrolü altında, urasil bağımsız ve ampisilin dirençli pJRoC30 vektör kullanılabilir Bu örnekte.
6. eşmolar MI hazırlanmasıPCR parçalarının soğutun ve 2 de lineer vektör ile karıştırarak: doğrusallaştırılmış plazmidin en az 100 ng, 1 oranında (eşmolar kütüphanesi açık / vektör test farklı oranlarda iyi bir dönüşüm verimi elde etmek için).
   1. konsantrasyon ve saflığı belirlemek için PCR parçaları ve 260 nm ve 280 nm 'de lineer vektör absorbansı ölçülür.
7. Bir ticari maya dönüştürme kiti kullanılarak DNA karışımı maya yetkin hücrelerini dönüştürmek, üreticinin talimatlarına uygun olarak (malzeme Tablo).
   1. Bağımlı S. ^- Burada bir yoksun proteaz ve URA3 kullanın cerevisiae suşu, BJ5465. (Aşağıya bakınız), tarama sırasında bir iç standart olarak ebeveyn daireselleşmiş vektörle hücrelerini dönüştürmek. Buna ek olarak, PCR parçalarının yokluğunda lineer vektör dönüştürerek arka plan kontrol edin.
      Not: ilk düşük salgılanmasını tespit durumunda, faydalanmaBJ5465 gibi cerevisiae proteaz eksikliği olan suşlarıdır kültür yüzey aktif protein birikimi geliştirmek için. Hedef enzimin hiperglikosilasyon glikosilasyon eksikliği cinslerinin kullanımını maruz (örneğin, sadece daha küçük manoz oligomerleri bağlama kapasitesine sahip Δ kre2), uygun bir seçenek olabilir.
8. Plaka dönüştürdü SC bırakma plakalar üzerinde hücre ve üç gün boyunca 30 ° C'de inkübe. Plakası (urasil ile desteklenmiş SC bırakma tabakalarına) URA3 ^- S. taranması için bir negatif kontrol olarak plazmid eksik S. cerevisiae hücreleri (aşağıya bakınız).

Testi Tarama 2. Yüksek Verimli (Şekil 3)

1. bir pipetleme robotu yardımıyla göz başına 50 | il minimum ortam maddesi ile (2.000 klon kütüphanesinin analiz 23 levha) steril 96 oyuklu plakalar bir uygun sayıda doldurun.
2. plakalar dışında SC-açılan bireysel koloniler seçin ve 96-kuyucuğu aktarabilirsiniz.
   1. Her plaka olarak, ebeveyn bir iç standart olarak tip ve iyi URA3 ile H1 ile sütun numarasını 6 aşılamak ^- S. Bir negatif kontrol olarak hiçbir plasmid ile (urasil ile takviye SC ortamı içinde) cerevisiae hücreleri.
      Not: Kuyu H1 urasil ile desteklenmiş bırakma medya ile özel olarak doldurulur. hücre içermeyen boş bir de ihtiva eden ortam ayrıca bir sterilite kontrolü olarak hazırlanabilir.
3. onların kapaklı tabak kapatın ve Parafilm onları sarın. Nemli bir çalkalayıcıda, 30 ° C'de 48 saat, 225 rpm ve 80% bağıl nem için inkübe edin.
4. Parafilm kaldır pipetleme robotu yardımıyla her bir oyuğa sentezleme ortamı 160 ul, plakalar yeniden kapatın ve 24 saat daha inkübe.
   Not: Başka bir yerde ¹⁹ bildirildiği gibi Minimal orta ve ifade ortamı hazırlanır. Salgılama seviyeleri t, ve buna bağlı olarak çalışma altında genin bağlı olarak değişebilirO zaman tüm oyuklara hücre büyümesini senkronize etmek için her bir durumda, optimize edilmelidir kuluçkalama.
5. Santrifüj, 4 ° C'de 10 dakika boyunca 2,800 x g plakaları (ana plakalar).
6. Aktarım robot çok istasyonlu işleme bir sıvı kullanarak çoğaltma plakasına ana plakadaki kuyulardan süpernatan 20 ul.
   Not: enzim salgılanmasını desteklemek amacıyla yaygın maya heterolog ekspresyonu (kullanılan sinyal peptidleri hedef proteinin doğal sinyal peptidi yerine tavsiye edilir, örneğin, α faktörü prepro-lideri, S. K _1. Öldürücü toksini lideri cerevisiae veya her iki peptit ¹³⁾ daha uyumlu versiyonlarıdır. Seçenek olarak ise, doğal sinyal peptid sadece maya içinde salgılanması için açığa çıkabilir.
7. Pipetleme robot yardımı ile 100 mM sodyum fosfat tampon maddesi, pH 6.0 içinde 2 mM p -methoxybenzylalcohol 20 ul ekle. 96-biz kısaca plakaları karıştırınve kap mikseri ll, oda sıcaklığında 30 dakika boyunca inkübe.
8. Pipetleme robot ile, her çoğaltma plakasına FOX reaktifi 160 ul ve de FOX karışımının karıştırıcı (nihai konsantrasyon kısaca karıştırılmıştır: 100 uM ksilenol turuncu, 250 uM Fe _{(NH4) 2 (SO4) 2} ve 25 mM H ₂ SO _4).
   1. Bu tür organik yardımcı solventlerin (DMSO, etanol, metanol) veya sorbitol ¹⁷ olarak duyarlılığını artırmak için bir reaktif için çeşitli katkı maddeleri ekleyin. Burada, 100 mm (Şekil 4) bir son konsantrasyona kadar sorbitol eklenerek cevap yükseltmek.
9. Bir plaka okuyucusu üzerinde 560 nm'de plakaları (uç noktası modu, t = ₀₎ okuyun.
10. Renk gelişene kadar oda sıcaklığında inkübe ve tekrar (t ₁₎ emilimini ölçmek.
    1. kuluçkadan sonra Abs değeri arasındaki farktan göreceli aktivitesini hesaplamak ve ilk ölçüm o pare normalizeHer bir plaka için ntal tipi (¨t ₁ - t = _0).
11. yanlış pozitif ekarte etmek iki ardışık yeniden gösterimleri için en iyi mutant hit Konu.
    Not: Genellikle, yeniden gösterimleri plazmid ¹⁹ yaş maya hücrelerinin dönüşümü, ardından, Escherichia coli içinde maya, amplifikasyon ve arıtma için plazmid izolasyon bulunmaktadır. Seçilen her bir klon pentaplicate yeniden elenir.

Sonuçlar

P. AAO eryngii lignin saldıran başlamak için H ₂ O ₂ ile mantar peroksidazlar sağlayan bir hücre dışı flavooxidase olduğunu. AAO iki segment etkinliğini ve S ifadesini arttırmak için geçişin tarafından odaklanmakta-yönlendirilmiş evrim tabi tutuldu cerevisiae ^19. S. tarafından barındırdığı yabancı enzimlerin bağımsız olarak cerevisiae, maya mutant kütüphaneler inşa fragman...

Tartışmalar

Bu yazıda, ipuçlarını çoğu S. yönlendirilmiş evrim tarafından enzimleri mühendisi laboratuarımızda istihdam özetledik cerevisiae (örnek olarak AAO kullanarak) onlar sadece burada açıklanan ortak bir yaklaşım izlenerek diğer ökaryotik enzim sistemleri ile kullanım için adapte edilebilir, böylece.

Kütüphane oluşturulması açısından, biçim vermek ve ¹⁶ değiştirilmemiş proteinin geri kalan bölgeleri, bırakarak küçük protein uzan?...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
1. Culture media
Ampicillin sodium salt	Sigma-Aldrich	A0166	CAS Nº 69-52-3 M.W. 371.39
Bacto Agar	Difco	214010
Cloramphenicol	Sigma-Aldrich	C0378	CAS Nº 56-75-7 M.W. 323.13
D-(+)-Galactose	Sigma-Aldrich	G0750	CAS Nº 59-23-4 M.W. 180.16
D-(+)-Glucose	Sigma-Aldrich	G5767	CAS Nº 50-99-7 M.W. 180.16
D-(+)-Raffinose pentahydrate	Sigma-Aldrich	83400	CAS Nº 17629-30-0 M.W. 594.51
Peptone	Difco	211677
Potassium phosphate monobasic	Sigma-Aldrich	P0662	CAS Nº 7778-77-0 M.W. 136.09
Uracil	Sigma Aldrich	U1128
Yeast Extract	Difco	212750
Yeast Nitrogen Base without Amino Acids	Difco	291940
Yeast Synthetic Drop-out Medium Supplements without uracil	Sigma-Aldrich	Y1501
Name	Company	Catalog Number	Comments
2. PCR Reactions
dNTP Mix	Agilent genomics	200415-51	25 mM each
iProof High-Fidelity DNA polymerase	Bio-rad	172-5301
Manganese(II) chloride tetrahydrate	Sigma-Aldrich	M8054	CAS Nº 13446-34-9 M.W. 197.91
Taq DNA Polymerase	Sigma-Aldrich	D4545	For error prone PCR
Name	Company	Catalog Number	Comments
3. Plasmid linearization
BamHI restriction enzyme	New England Biolabs	R0136S
Bovine Serum Albumin	New England Biolabs	B9001S
XhoI restriction enzyme	New England Biolabs	R0146S
Not I restriction enzyme	New England Biolabs	R0189S
Gel Red	Biotium	41003	For staining DNA
Name	Company	Catalog Number	Comments
4. FOX assays
Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate	Sigma-Aldrich	F3754	CAS Nº 7783-85-9 M.W. 392.14
Anysil Alcohol	Sigma Aldrich	W209902	CAS Nº 105-13-5 M.W. 138.16
D-Sorbitol	Sigma-Aldrich	S1876	CAS Nº 50-70-4 M.W. 182.17
Hydrogen peroxide 30%	Merck Millipore	1072090250	FOX standard curve
Xylenol Orange disodium salt	Sigma-Aldrich	52097	CAS Nº 1611-35-4 M.W. 716.62
Name	Company	Catalog Number	Comments
5. Agarose gel stuff
Agarose	Norgen	28035	CAS Nº 9012-36-6
Gel Red	Biotium	41003	DNA analysis dye
GeneRuler 1kb Ladder	Thermo Scientific	SM0311	DNA M.W. standard
Loading Dye 6x	Thermo Scientific	R0611
Low-melting temperature agarose	Bio-rad	161-3112	CAS Nº 39346-81-1
Name	Company	Catalog Number	Comments
6. Kits and cells
S. cerevisiae strain BJ5465	LGC Promochem	ATTC 208289	Protease deficient strain with genotype: MATα ura3-52 trp1 leu2-delta1 his3-delta200 pep4::HIS3 prb1-delta1.6R can1 GAL
E. coli XL2-Blue competent cells	Agilent genomics	200150	For plasmid purification and amplification
NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit	Macherey-Nagel	740,609,250	DNA gel extraction
NucleoSpin Plasmid Kit	Macherey-Nagel	740,588,250	Column miniprep Kit
Yeast Transformation Kit	Sigma-Aldrich	YEAST1-1KT	Included DNA carrier (Salmon testes)
Zymoprep yeast plasmid miniprep I	Zymo research	D2001	Plasmid extraction from yeast
Name	Company	Catalog Number	Comments
7. Plates
96-well plates	Greiner Bio-One	655101	Clear, non-sterile, polystyrene (for activity measurements)
96-well plates	Greiner Bio-One	655161	Clear, sterile, polystyrene (for microfermentations)
96-well plate lid	Greiner Bio-One	656171	Clear, sterile, polystyrene (for microfermentations)