JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Çalışma, sentetik gen parçalarından protein tarama kampanyaları için klonlama yapmadan veya canlı hücreler kullanmadan büyük (μg-mg) miktarlarda DNA oluşturmak için bir protokol tanımlamaktadır. Minimal şablon enzimmatik olarak sindirilir ve daireselleştirilir ve daha sonra izotermal yuvarlanan daire amplifikasyonu kullanılarak yükseltilir. Hücresiz ifade reaksiyonları, teşvik edilmemiş ürünle gerçekleştirilebilir.

Özet

Bu protokol, hücre içermeyen ifade kullanılarak 24 saatten daha kısa bir sürede tahlil edilebilir proteinlerin hızlı bir şekilde prototiplenmesini sağlayan minimal bir DNA şablonunun tasarımını ve enzymatic amplifikasyon adımlarını açıklar. Bir satıcıdan DNA aldıktan sonra, gen parçası PCR ile yükseltilir, kesilir, daireselleştirilir ve kriyo-bankalıdır. Daha sonra bankalanmış DNA'nın küçük bir kısmı seyreltilir ve izotermal yuvarlanan daire amplifikasyonu (RCA) kullanılarak önemli ölçüde(10 6x'e kadar) yükseltilir. RCA, başlangıç malzemesinin pikogram seviyelerinden minimum ifade şablonunun mikrogram miktarlarını verebilir (tüm başlangıç sentetik parçası kullanılıyorsa mg seviyeleri). Bu çalışmada, 20 pg'lik bir başlangıç miktarı, nihai ürünün 4 μg'sına neden oldu. Elde edilen RCA ürünü (minimal şablonun concatemer'ı) saflaştırma adımları olmadan doğrudan hücresiz reaksiyona eklenebilir. Bu yöntemin tamamen PCR tabanlı olması nedeniyle, otomatik sıvı taşıma sistemleri ile birleştiğinde gelecekteki yüksek verimli tarama çabalarını mümkün kılabilir.

Giriş

Hücresiz gen ekspresyolü (CFE) birçok uygulama ile güçlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Bu tür uygulamalar hastalık tespiti1,2,3,4,5,6,mikro besin ve küçük molekül tespiti7,8,9,10,11,12,biyo-üretim13,14,15,16,17 içerir ,18, eğitim19,20,21, zor protein üretimi17,22,23,24,25,26,27ve varyant taraması23,28,29,30,31,32 ,33. Bunun nedeni, hücresiz sistemlerin açık doğası ve verdikleri esnekliktir. Birçok büyük incelememakalesi,34 ,35 , 36 , 37,38,39,40,41,42,43,44teknolojisinde tarihsel eğitim vegeleceğebakış açılarısunar.

Tipik bir hücresiz reaksiyon üç ana bileşenden oluşur: hücre özü, enerji karışımı ve genetik şablon. Aktif hücre özü transkripsiyon ve çeviri (TXTL) için gerekli tüm makineleri içerir ve çeşitli şekillerde işlenebilir36. Enerji karışımındaki glikolitik ara ürünler, elektrolitler, amino asitler ve kofaktörler TXTL sürecini destekler. Hücresiz deneylerde önemli bir değişkenlik kaynağıdır45 ve birçok şekilde hazırlanabilir34,46. Genetik şablonun hazırlanması, geleneksel klonlama yöntemlerinin mükemmel ifade özelliklerine sahip plazmidlerle sonuçlanmasından bu yana daha az iyileşme görmüştür. Bu geleneksel yöntemlerin dezavantajı, bunları inşa etmek ve yaymak için gereken geri dönüş süresi ve biyolojik uzmanlık miktarıdır. Son optimizasyon çabaları, hücre özü hazırlama 47 ,48için enerji karışımı hazırlama49 ,50ile paralel olarak gerçekleştirilebilecek basit24saatlik iş akışları ile sonuçlandı. Ancak, geleneksel klonlama CFE prototipleme zaman çizelgesine birden fazla gün ekler (Tablo 1)23. Ticari gen parçasından hızlı bir şekilde güçlendirilmiş PCR ürünleri doğrudankullanılabilir 51, ancak bu, yaklaşık beş reaksiyona (geleneksel 15 μL hacim) karşılık gelen sadece 1 μg DNA üretildiği için prototipleme deneylerinin sayısını sınırlar. Bu ek daireselleştirme ve izotermal amplifikasyon adımları ile DNA'nın miligramdan fazla miktarı mümkündür (1 mg için ~ 5.000 reaksiyon). Bu, proteinlerin veya kombinatoryal enzim ağlarının (hücresiz metabolik mühendislik) yüksek verimli taramada yapılabilecek test sayısını önemli ölçüde artırır; ayrıca doğrusal şablon kütüphanesinin yüksek konsantrasyonda DNA olarak etkili bir şekilde korunmasını sağlar. Ayrıca, malzeme bilimi uygulamaları (protein bazlı lifler ve hidrojeller) için gereken daha büyük miktarlarda proteinin prototipini yapmak için daha fazla miktarda şablon gerekli olacaktır. Doğrusal şablonların bazı sınırlamaları BL21 DE3 Star'dan bir ekstrakt kullanarak veya doğrusal şablonları bozulma52 , 53,54'tenkorumak için yakın zamanda keşfedilen yöntemler kullanılarak aşılabilir. Bununla birlikte, bu, PCR amplifikasyonu için sınırlı miktarda satıcı tarafından üretilen DNA stokuna veya klonlama için gerekli biyolojik uzmanlık ve ekipman konusuna sahip olmayı ele almaz.

Bu çalışma, satıcı tarafından üretilen küçük miktarlardaki gen parçalarından (tipik olarak 500-1000 ng liyofilize toz) elde edilebilen ifade şablonu miktarını artırmak için açıkça tasarlanmış bir protokol sunar. Açıklanan yöntem, plazmidlerde geleneksel klonlama yapmak veya canlı hücrelerde dönüştürmek ve yaymak için gerekli becerileri gerektirmez. Postada bir gen parçası aldıktan sonra, bir kullanıcı izotermal yuvarlanan daire amplifikasyonu (RCA) (Şekil 1)23kullanarak birçok hücresiz reaksiyon için yeterli şablon üretebilir. Satıcıdan alınan DNA miktarı sınırlı tarama çabaları için yeterli olsa da, hızla tükeniyor ve gen parçalarının yeniden satın alınması zaman alıcı ve maliyetli. Yöntem ayrıca özellikle E. coli'detoksik ve klonlamaları zor genler için çok uygundur.

Protokol

1. Gen parçasının tasarlanması

NOT: Gen parçası, promotör, ribozom bağlama bölgesi (RBS), start codon, ilgi geni ve sonlandırıcı dahil olmak üzere transkripsiyon / çeviri için gerekli tüm genetik unsurlara sahip olmalıdır. Sonlandırıcı doğrusal ifade şablonu (LET) için gerekli olmasa da, kullanıcının sırayı bir plazmid içine eklemeye karar vermesi önemli olacaktır. Bu diziler, T7 organizatörü kullanan pJL1-sfGFP plasmid55'ten (Michael Jewett'in laboratuvarından hediye) kaldırıldı. Bu gerekli genetik elementlere ek olarak, bir kısıtlama enzimi kesme bölgesi, promotörden önce altı baz çifti (5' kesim bölgesi) ve terminatörden (3' kesim bölgesi) sonra altı baz çifti daha eklenir, bu durumda HindIII (diğer kısıtlama enzimleri kullanılabilir, ancak kütüphanede tutmak için gereken sayıyı azaltmak için dizileri bir yüksek doğruluk kısıtlama enzimi ile standartlaştırmak yararlıdır). Astar sahaları, 5' kesim bölgesinin yukarısına on baz çifti ve 3' kesim bölgesinin aşağı doğru on baz çifti eklenir, bu durumda standart M13 astar dizileri (astarlar ucuz stok öğeleridir). Kullanılan kısıtlama enzim bölgesi ve astarlar kullanıcının takdirine bağlıdır. Ancak, kullanıcı sıraların şablonda başka bir yerde bulunmadığından emin olmalıdır (istenmeyen kesimler veya amplifikasyon başlatma siteleri oluşturmak istemiyorsunuz). Bu çalışmada kullanılan şablonların sıraları ek malzemede ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Bu adımlar, bu temel şablondan değiştirmek için kullanılır.

  1. İfade edilecek istenen geni belirleyin ve E. coliile ifade edilmişse amino asit dizisini veya genetik diziyi elde edin.
  2. Bir amino asit dizisi ise, birçok standart satıcı araçlarından birini kullanarak E. coli için kodon optimizasyonu gerçekleştirin56. Ekte sağlanan şablonu kullanıyorsanız, en iyi duruma getirilmiş sıranın HindIII kısıtlama sitelerinin (AAGCTT) olmadığından emin olun. Olması durumunda, artık bir HindIII sitesi olmayana kadar sırayı optimize etmeye devam edin.
  3. Sırayı kopyalayın ve ilgi geninin belirtildiği Ek Sıra No 1 için sağlanan şablona yapıştırın. sfGFP'yi ifade ediyorsanız, olduğu gibi Tamamlayıcı Sıra No 1'i kullanın. Altyazıyı ifade ediyorsanız, olduğu gibi Tamamlayıcı Sıra No 2 kullanın.
  4. Tercih edilen DNA sentez hizmetinden minimum şablonu ve gerekli astarları sipariş edin.

2. Gen parçasını ve astarları yeniden canlandırma

NOT: Gen parçası alındıktan sonra, üreticinin yeniden canlandırma protokollerini izleyin veya dna stoğu oluşturmak için bu basit kılavuzu kullanın.

  1. Alttaki DNA peletini toplamak için tüpü (5 s için 300 x g) santrifüjlayın.
  2. 10 ng/μL DNA şablonunun son konsantrasyonu için çift damıtılmış su (ddH2O) ekleyin.
  3. Çözümü 5-10 sn için orta bir ayarda vorteks edin.
  4. 20 dakika boyunca 50 °C'de inkübe ederek tüm peletin çözün.
  5. Kısaca tekrar girdap
  6. Çözeltiyi tüpün dibinde toplamak için 5 s için 300 x g'da santrifüj.
  7. -20 °C'de saklayın veya PCR'de kullanın.
  8. Astarları çekirdeksiz suda yeniden depolayarak 100 μM astar stoğu hazırlayın. Eklenecek su miktarını belirlemek için, lyophilized astarın nanomol sayısını 10 ile çarpın. Örneğin, tüp 45 nM lyophilized astar içeriyorsa, çözeltiyi 450 μL ddH2O ve girdap ekleyin.
  9. Astar stok çözümlerini -20 °C'de saklayın veya amplifikasyonu gerçekleştirmeye devam edin.

3. Gen parçasının PCR ile amplifikasyon

NOT: İlgi çekici gen için hangi PCR kitinin doğru olduğuna karar verin. Daha küçük genler (<1.000 kb) daha ucuz bir Taq polimeraz için daha uygun olabilirken, daha büyük genler (≥1.000 kb) hataları azaltmak için yüksek doğrulukta polimerazdan yararlanabilir. Kullanıcı ilk gen parçasını korumakla ilgilenmiyorsa bu ilk PCR amplifikasyonunun gerekli olmadığını belirtmek önemlidir (Döngüselleştirme için birden fazla deneme sağlar ve LET ve RCA ürününün karşılaştırmalı çalışmalarına izin verir). Bu PCR güçlendirilmiş LET'in doğrudan reaksiyonlarda kullanılabileceğini de belirtmek önemlidir; ancak, girişte belirtildiği gibi, yalnızca daha fazla amplifikasyon adımı göz ardı edilirse sınırlı sayıda reaksiyona izin verecektir. Sindirim ve ligasyon doğrudan57 resüspended gen parçası üzerinde yapılabilir (eğer biri kesin ise, ek döngüselleştirme stokları gerçekleştirmek için daha fazla LET gerekmez). Bu durumda, bölüm 3'ü atlayın ve bölüm 4'e devam edin. PCR gerçekleştirmek için şu adımları izleyin.

  1. 10 μM çalışma çözümleri oluşturmak için adım 2.8'den 100 μM stokları kullanın. Birçok PCR kit protokolü, astarların 10 μM çözümlerini gerektirir.
  2. Termal çevrimciyi, reaksiyonun kit üreticisinin protokollerine göre yürütülmesi için programla. Farklı kitler biraz çeşitli bisiklet parametreleri için çağrıda bulunur. Malzeme Tablosundalistelenen kit için, koşullar 30 sn ilk denatürasyon için 94 ° C'dir; 30 sn denatüre için 94 °C 30 döngü, 30 s astar tavlama için 45 °C ve 60 s uzatma için 68 °C; 5 dakika boyunca 68 °C'de son bir uzatma ile; ve son olarak, 10 °C süresiz tutma.
    1. Doğru uzama süresini seçtiğinizden emin olun (yükseltilecek genin uzunluğuna bağlı olarak değişken). Her 1.000 bp için 1 dakikalık bir uzama süresine sahip olmak.
    2. Astarlar için doğru tavlama sıcaklığını girdiğinizden emin olun. En iyi tavlama sıcaklığını belirlemek için giriş olarak her iki astarı kullanan çevrimiçi bir Tm hesap makinesi kullanın58. M13 astarları kullanırken 45 °C'lik bir tavlama sıcaklığı yeterlidir.
    3. Döngü sayısını belirlerken, üreticinin protokolüne bakın, ancak 30 döngü çoğu zaman yeterli amplifikasyona neden olur.
  3. PCR yapıyorsanız, dNTP'leri çözün ve girdap edin. Kitte bulunan PCR arabelleği kullanın.
  4. Tek bir PCR tüpünde, üreticinin protokolünde belirtildiği gibi tüm kit bileşenlerini birleştirin. Başarılı amplifikasyon sağlamak için 1 μL yeniden tanımlanmış DNA stoğu ekleyin (adım 2.6).
  5. Karışımı 5-10 sn orta ayarda girdaplayarak hafifçe homojenize edin. Alternatif olarak, pipet hacmin yarısını girdaba 10-20 kez yukarı ve aşağı.
  6. PCR reaksiyonlarını gerçekleştirin.
  7. PCR protokolü son bir soğutma adımı içermİyorsa, borunun altına yoğuşma sağlamak için çıkarmadan önce reaksiyonun 10 °C'de 5 dakika soğumasını bekleyin.
  8. Satıcının talimatlarını izleyerek bir PCR temizleme kiti kullanarak reaksiyondan arındırın.
    1. 1,5 mL'lik bir tüpte sırasıyla 5:1 oranında DNA bağlama tamponu ve PCR örneği ekleyin.
    2. Bu karışımı 1 dakika boyunca 16.000 x g'da spin sütununa ve santrifüje aktarın. Akışa geç.
    3. Kolona 200 μL DNA yıkama tamponu ekleyin ve oda sıcaklığında 1 dakika kuluçkaya yatırın.
    4. 16.000 x g'da 1 dakika santrifüj ve akışa atın.
    5. 1 dakikalık kuluçka adımı olmadan 2.8.3 ve 2.8.4 adımlarını yineleyin.
    6. Kalan tamponu çıkarmak için 16.000 x g'da 1-2 dakika daha santrifüj.
    7. DNA'nın 46 μL'si ddH2O'da elute.
  9. Spektrofotometre kullanarak saflaştırılmış DNA'nın ölçülmesini.
  10. Saflaştırılmış DNA'yı -20 °C'de saklayın veya bir sonraki adıma geçin.

4. Sindirim ve döngüselleştirme

NOT: DNA'nın ardından RCA'nın daireselleştirilmesiyle daha fazla amplifikasyon elde edilebilir. Şablonu döngüselleştirmeye hazırlamak için DNA'yı sindirin. Bu, astar dizilerini kaldırır ve şablonun hem 5' hem de 3' uçlarında yapışkan uçlar oluşturur. Bu uçları ligasyon reaksiyoni ile yeniden takin.

  1. Bir PCR tüpünde, gerekli tamponun 5 μL'si, 20 U HindIII ve 45 μL saflaştırılmış DNA'yı adım 3.8'den birleştirin.
  2. Bu karışımı bir pipetle hafifçe homojenize edin.
  3. Karışımı 37 °C'de 15 dakika boyunca bir termal çevrimde kuluçkaya yatırın.
  4. Isı, 80 °C'de 20 dakika kuluçkaya yatırarak HindIII'yi inaktive edin.
  5. Borunun altına yoğuşma sağlamak için çıkarmadan önce reaksiyonun 10 °C'ye soğumasını bekleyin.
  6. Yeni sindirilen DNA'ya 5 μL T4 ligaz tamponu ve 800 U T4 ligaz ekleyin.
    1. İsterseniz T7 ligase kullanın.
  7. Bu karışımı bir pipetle hafifçe homojenize edin.
  8. Daireselleştirme reaksiyonunu gerçekleştirmek için karışımı 25 °C'de 1 saat kuluçkaya yatırın.
  9. Satıcının talimatlarını izleyerek bir PCR temizleme kiti kullanarak reaksiyondan arındırın. 3.8. adımda ayrıntılı olarak açıklanan protokolü kullanın.
  10. Spektrofotometre kullanarak DNA'yı ölçün. Beklenen değerler ~20 ng/μL'dir.
  11. -20 °C'de saklayın veya bir sonraki adıma geçin.

5. İzotermal yuvarlanan daire amplifikasyonu

NOT: Yuvarlanan daire amplifikasyonu (RCA) ticari bir kit kullanılarak veya ayrı olarak satın alınan bileşenlerle gerçekleştirilebilir. Üreticinin protokolüne uymak başarılı bir amplifikasyon sağlayacaktır. Kitler genellikle bir örnek tampon, reaksiyon tamponu ve φ29 polimeraz gibi iplikçik displacing polimeraz içerir. Birden fazla reaksiyon tüpü, hücresiz ekspresyon için çok miktarda DNA üretmek için birleştirilebilir (20 pg başlangıç malzemesinden 4 μg). Aşağıdaki protokol verimli bir şekilde çalışır.

  1. Tek bir tüpte, 4.9 adımından 20 μL numune tamponu, 20 μL reaksiyon tamponu, 0.8 μL enzim ve 1 μL dairesel ifade şablonunun (CET) birleştirin.
    NOT: Bu toplam DNA kütlesi ~20 ng olacaktır, ancak RCA pikogram miktarları ile çalışabilir, böylece yüksek verim taramasında malzemeye önemli bir ihtiyaç varsa ÇET'nin seyreltilmesine ve aşırı enzymatic amplifikasyona izin verir.
  2. Karışımı bir pipet ve aliquot 10 μL karışımı dört ayrı tüp halinde homojenize edin.
  3. 4-18 saat boyunca 30 °C'de kuluçkaya yatırın.
  4. Isı, 10 dakika boyunca 65 °C'de inkübasyon yaparak enzimi inaktive edin. Tüpün dibinde yoğuşma teşvik etmek için sıcaklığı 5 dakika boyunca 12 °C'ye düşürün.
    NOT: Tüm sıcaklık adımlarını bir termal çevrimde otomatik bir protokolde birleştirmek en kolayıdır.
  5. Her tüpe 15 μL ddH2O ekleyerek elde edilen çözeltiyi seyreltin.
  6. Tüm tüpleri birleştirin ve doğrudan hücresiz bir reaksiyona ekleyin.
  7. İsterseniz, ürünü arındırmak ve ölçmek için 36 μL ddH2O'da elüte etmek için bir PCR temizleme kiti kullanın. Şablon konsantrasyonu ~100 ng/μL olduğundan emin olun.

6. Hücresiz reaksiyon

NOT: Enerji arabelleği, ayıklama ve RCA şablonunu birleştirerek hücresiz ifade gerçekleştirin. PANOx-SP enerji tamponunu kullanan tipik bir hücresiz reaksiyon 1,2 mM ATP, GMP, UMP ve CMP'nin her biri 0,85 mM, 30 mM fosphoenolpyruvat, 130 mM potasyum glutamat, 10 mM amonyum glutamat, 12 mM magnezyum glutamat, 1.5 mM spermidin, 1 mM putrescine, 34 μg/mL folik asit, 171 μg/mL E. coli tRNA karışımı, 20 etiketsiz amino asidin her biri 2 mM, 0,33 mM NAD, 0,27 mM Koenzim A (CoA), 4 mM potasyum oksalat, 57 mM HEPES-KOH tamponu (pH 7,5), E. coli ekstresinin% 0,24 hacmi ve değişken miktarda DNA23,49. Reaksiyon hacmi değişebilir, ancak 15 μL reaksiyonlar reaktif kullanımından tasarruf edebilir ve 384 siyah duvarlı mikro plaka49,50'de kullanım için yeterince küçüktür.

  1. SfGFP gibi floresan bir proteini ifade ediyorsanız, istenen uyarımı / emisyonu, sıcaklığı ve ajitasyonda okumak için bir plaka okuyucu hazırlayın.
  2. 384 kuyu plakası kullanıyorsanız, nemi korumak ve kenar etkisini azaltmak için boş bir numuneyi sınırlayan kuyulara 60 μL H2O aliquot.
  3. Her örnek için gerekli çeşitli bileşenleri bir tüpe ekleyin. Üç taraflılık yapmak için yeterli ekleyin. Plaka içindeki çoğaltmalar değişkenliğin nedenlerini belirlemeye yardımcı olabilir.
    1. Özü, enerji tamponunu ve sonra DNA'yı ekleyin.
    2. DDH2O ile istenen son hacme seyreltin.
  4. Çözelti hacminin yarısını 10-20 kez yukarı ve aşağı borulayarak bu çözeltiyi iyice karıştırın.
  5. Reaksiyon karışımını 15 μL aliquots içinde mikrotiter plakada istenen kuyulara aktarın.
  6. Nemi korumak ve buharlaşmayı önlemek için plakayı renksiz bir sızdırmazlık filmi ile kapatın.
  7. Mühürlü plakayı plaka okuyucusunda yerleştirin ve reaksiyonun tamamlanmasını izin verin.
    1. Canlı olarak izlenme yeteneğine sahip olmayan bir proteini ifade ediyorsanız, plakayı kuluçkaya yatırmak için termok gibi sıcaklık kontrollü başka bir aparat kullanın.

7. Subtilisin tahlil

NOT: Subtilisin BPN' (SBT(n)) genini Ek Sıra no 2'deifade ediyorsanız, aktiviteyi test etmek için bu protokolü izleyin.

  1. Dimetilformamid (DMF) içinde 10 μM stok N-succinyl-Ala-Ala-Pro-Phe p-nitroanilid çözeltisi hazırlayın.
  2. 25 °C'lik bir sıcaklığı korurken 10 dakika boyunca her 20 dakikada bir 410 nm emiciliği ölçmek için bir plaka okuyucu ayarlayın.
  3. Düz bir tabanda, renksiz 96 kuyu plakası, 7.1 adımından aliquot 94 μL ddH2O ve 1 μL N-succinyl-Ala-Pro-Phe p-nitroanilid.
  4. 6.7. adımdan bitmiş hücresiz reaksiyonun 5 μL'sini ekleyin ve 7.2 adımında açıklanan protokole ayarlanmış bir plaka okuyucu kullanarak okuyun.

Sonuçlar

SfGFP'nin RCA şablonlarından ekspresyöneti, 15 μL reaksiyonda sadece 0,30 μL'lik unpurified RCA DNA'sı kullanırken pJL1 plazmidi ile karşılaştırılabilirdi (Şekil 2A). Aslında, şablon miktarını iki katına çıkarmak ve üçe katlamak BL21 DE3 Star özünde hiçbir fayda sağlamaz, bu da şablonun reaksiyon başına 0,30 μL'de zaten doymuş seviyelerini önerir. Tersine, SHuffle suşundan elde edilen hücre özüne eklendiğinde RCA şablonu miktarını artırmanın bir yara...

Tartışmalar

İlgi gen herhangi bir istenen protein olabilir, ancak bu yöntemi yeni benimseyenler için iyi bir plaka okuyucuda gerçek zamanlı veya son nokta okuma için uygun bir muhabir olarak floresan bir proteinle başlamak en iyisidir. Yeni protein dizileri için, istenen proteinin amino asit dizisini kopyalayın ve istenen kodon optimizasyon aracı61,62'ye yapıştırın. Kodon optimizasyon aracında genellikle birçok mevcut organizma ve E. coli suşu vard?...

Açıklamalar

Nigel Reuel, antikorların tasarımı için hücresiz sistemler kullanan BigHat Biosciences Inc. şirketinin bilimsel danışma kurulunda görev yapmaktadır.

Teşekkürler

Yazarlar NIH 1R35GM138265-01 ve NSF'nin bu projenin kısmi desteği için 2029532 kabul ediyor.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
AlalineFormediumDOC0102
Ammonium glutamateMP BiomedicalsMP21805951
ArginineFormediumDOC0106
AsparagineFormediumDOC0114
Aspartic AcidFormediumDOC0118
ATPSigmaA2383
Axygen Sealing FilmCorningPCR-SP
CMPSigmaC1006
Coenzyme ASigmaC3144
CutSmart BufferNEBB7204SProvided with HindIII
CysteineFormediumDOC0122
DNA Clean and Concentrator KitZymo ResearchD4004Used for purifying DNA
dNTPsNEBN0447
E. coli tRNASigma (Roche)10109541001
Folinic AcidSigma47612
Gene FragmentIDT
Glutamic AcidFormediumDOC0134
GlutamineFormediumDOC0130
GlycineFormediumDOC0138
GMPSigmaG8377
HEPESSigmaH3375
HindIII-HFNEBR3104L
HistidineFormediumDOC0142
IsoleucineFormediumDOC0150
LeucineFormediumDOC0154
LysineFormediumDOC0158
Magnesium glutamateSigma49605
MethionineFormediumDOC0166
Microtiter Plate (384 well)Greiner781906
Microtiter Plate (96 well)Greiner655809
Multimode Plate ReaderBioTekSynergy Neo2
NADSigmaN8535
NanoPhotometerImplenNP80
OneTaq DNA PolymeraseNEBM0480
PCR TubeVWR20170-012
PhenylalanineFormediumDOC0170
PhosphoenolpyruvateSigma (Roche)10108294
Potassium glutamateSigmaG1501
Potassium oxalateFisher ScientificP273
ProlineFormediumDOC0174
PutrescineSigmaP5780
SerineFormediumDOC0178
SpermidineSigmaS0266
T4 DNA LigaseNEBM0202S
T4 DNA Ligase Reaction BufferNEBB0202SProvided with T4 DNA Ligase
TempliPhi Amplification KitCytiva25640010Used for RCA
Thermal CyclerBioradC1000 Touch
ThermoblockEppendorfThermoMixer FP
ThreonineFormediumDOC0182
TryptophanFormediumDOC0186
TyrosineFormediumDOC0190
UMPSigmaU6375
ValineFormediumDOC0194

Referanslar

  1. Sun, Q., et al. A simple and low-cost paper-based colorimetric method for detecting and distinguishing the GII.4 and GII.17 genotypes of norovirus. Talanta. 225, 121978 (2021).
  2. Pardee, K., et al. Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components. Cell. 165 (5), 1255-1266 (2016).
  3. Pardee, K., et al. Paper-based synthetic gene networks. Cell. 159 (4), 940-954 (2014).
  4. Ma, D., Shen, L., Wu, K., Diehnelt, C. W., Green, A. A. Low-cost detection of norovirus using paper-based cell-free systems and synbody-based viral enrichment. Synthetic Biology. 3 (1), (2018).
  5. Park, S., Lee, J. W. Detection of coronaviruses using rna toehold switch sensors. International Journal of Molecular Sciences. 22 (4), 1772 (2021).
  6. Cao, M., Sun, Q., Zhang, X., Ma, Y., Wang, J. Detection and differentiation of respiratory syncytial virus subgroups A and B with colorimetric toehold switch sensors in a paper-based cell-free system. Biosensors and Bioelectronics. 182, 113173 (2021).
  7. Mcnerney, M. P., et al. Point-of-care biomarker quantification enabled by sample-specific calibration. Science Advances. 5 (9), (2019).
  8. Silverman, A. D., Akova, U., Alam, K. K., Jewett, M. C., Lucks, J. B. Design and optimization of a cell-free atrazine biosensor. ACS Synthetic Biology. 9 (3), 671-677 (2020).
  9. Salehi, A. S. M., et al. Cell-free protein synthesis approach to biosensing hTRβ-specific endocrine disruptors. Analytical Chemistry. 89 (6), 3395-3401 (2017).
  10. Garamella, J., Majumder, S., Liu, A. P., Noireaux, V. An adaptive synthetic cell based on mechanosensing, biosensing, and inducible gene circuits. ACS Synthetic Biology. 8 (8), 1913-1920 (2019).
  11. Glasscock, C. J., et al. Dynamic control of pathway expression with riboregulated switchable feedback promoters. ACS Synthetic Biology. 16, (2019).
  12. Thavarajah, W., et al. Point-of-use detection of environmental fluoride via a cell-free riboswitch-based biosensor. ACS Synthetic Biology. 9 (1), 10-18 (2020).
  13. Pardee, K., et al. Portable, on-demand biomolecular manufacturing. Cell. 167 (1), 248-259 (2016).
  14. Nelson, J. A. D., et al. Hydrofoam and oxygen headspace bioreactors improve cell-free therapeutic protein production yields through enhanced oxygen transport. Biotechnology Progress. 37 (2), 3079 (2020).
  15. Cai, Q., et al. A simplified and robust protocol for immunoglobulin expression in Escherichia coli cell-free protein synthesis systems. Biotechnology Progress. 31 (3), 823-831 (2015).
  16. Ogonah, O. W., Polizzi, K. M., Bracewell, D. G. Cell free protein synthesis: a viable option for stratified medicines manufacturing? A brief history of cell free synthesis systems. Current Opinion in Chemical Engineering. 18, 77-83 (2017).
  17. Zawada, J. F., et al. Microscale to manufacturing scale-up of cell-free cytokine production-a new approach for shortening protein production development timelines. Biotechnology and Bioengineering. 108 (7), 1570-1578 (2011).
  18. Stark, J. C., et al. On-demand biomanufacturing of protective conjugate vaccines. Science Advances. 7 (6), (2021).
  19. Huang, A., et al. BioBitsTM Explorer: A modular synthetic biology education kit. Science Advances. 4 (8), 1-11 (2018).
  20. Stark, J. C., et al. BioBits health: classroom activities exploring engineering, biology, and human health with fluorescent readouts. ACS Synthetic Biology. 8 (5), 1001-1009 (2019).
  21. Stark, J. C., et al. BioBitsTM Bright: A fluorescent synthetic biology education kit. Science Advances. 4 (8), 33 (2018).
  22. Shinoda, T., et al. Cell-free methods to produce structurally intact mammalian membrane proteins. Scientific Reports. 6, (2016).
  23. Dopp, J. L., Rothstein, S. M., Mansell, T. J., Reuel, N. F. Rapid prototyping of proteins: Mail order gene fragments to assayable proteins within 24 hours. Biotechnology and Bioengineering. 116 (3), 667-676 (2019).
  24. Sachse, R., Dondapati, S. K., Fenz, S. F., Schmidt, T., Kubick, S. Membrane protein synthesis in cell-free systems: From bio-mimetic systems to bio-membranes. FEBS Letters. 588 (17), 2774-2781 (2014).
  25. Salehi, A. S. M., et al. Cell-free protein synthesis of a cytotoxic cancer therapeutic: Onconase production and a just-add-water cell-free system. Biotechnology Journal. 11 (2), 274-281 (2016).
  26. Georgi, V., et al. On-chip automation of cell-free protein synthesis: New opportunities due to a novel reaction mode. Lab on a Chip. 16 (2), 269-281 (2016).
  27. Thoring, L., et al. Cell-free systems based on CHO cell lysates: Optimization strategies, synthesis of "difficult-to-express" proteins and future perspectives. PLoS One. 11 (9), (2016).
  28. Dopp, J. L., Reuel, N. F. Simple, functional, inexpensive cell extract for in vitro prototyping of proteins with disulfide bonds. Biochemical Engineering Journal. 164, 107790 (2020).
  29. Isaksson, L., Enberg, J., Neutze, R., Göran Karlsson, B., Pedersen, A. Expression screening of membrane proteins with cell-free protein synthesis. Protein Expression and Purification. 82 (1), 218-225 (2012).
  30. Techner, J. M., et al. High-throughput synthesis and analysis of intact glycoproteins using SAMDI-MS. Analytical Chemistry. 92 (2), 1963-1971 (2020).
  31. Kim, H. C., et al. Implementing bacterial acid resistance into cell-free protein synthesis for buffer-free expression and screening of enzymes. Biotechnology and Bioengineering. 112 (12), 2630-2635 (2015).
  32. Rolf, J., Siedentop, R., Lütz, S., Rosenthal, K. Screening and identification of novel cGAS homologues using a combination of in vitro and in vivo protein synthesis. International Journal of Molecular Sciences. 21 (1), (2020).
  33. Haslinger, K., Hackl, T., Prather, K. L. J. Rapid in vitro prototyping of O-methyltransferases for pathway applications in Escherichia coli. bioRxiv. , (2020).
  34. Dopp, J. L., Tamiev, D. D., Reuel, N. F. Cell-free supplement mixtures: Elucidating the history and biochemical utility of additives used to support in vitro protein synthesis in E. coli extract. Biotechnology Advances. 37 (1), 246-258 (2018).
  35. Gregorio, N. E., Levine, M. Z., Oza, J. P. A user's guide to cell-free protein synthesis. Methods and Protocols. 2 (1), 24 (2019).
  36. Cole, S. D., Miklos, A. E., Chiao, A. C., Sun, Z. Z., Lux, M. W. Methodologies for preparation of prokaryotic extracts for cell-free expression systems. Synthetic and Systems Biotechnology. 5 (4), 252-267 (2020).
  37. Chiba, C. H., Knirsch, M. C., Azzoni, A. R., Moreira, A. R., Stephano, M. A. Cell-free protein synthesis: advances on production process for biopharmaceuticals and immunobiological products. BioTechniques. 70, (2021).
  38. Laohakunakorn, N. Cell-free systems: A proving ground for rational biodesign. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 788 (2020).
  39. Dondapati, S. K., Stech, M., Zemella, A., Kubick, S. Cell-free protein synthesis: A promising option for future drug development. BioDrugs. , 1-22 (2020).
  40. Noireaux, V., Liu, A. P. The new age of cell-free biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 22, 51-77 (2020).
  41. Khambhati, K., et al. Exploring the Potential of Cell-Free Protein Synthesis for Extending the Abilities of Biological Systems. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, (2019).
  42. Carlson, E. D., Gan, R., Hodgman, C. E., Jewett, M. C. Cell-free protein synthesis: Applications come of age. Biotechnology Advances. 30 (5), 1185-1194 (2012).
  43. Rosenblum, G., Cooperman, B. S. Engine out of the chassis: Cell-free protein synthesis and its uses. FEBS Letters. 588 (2), 261-268 (2014).
  44. Swartz, J. R. Transforming biochemical engineering with cell-free biology. AIChE Journal. 58 (1), 5-13 (2012).
  45. Cole, S. D., et al. Quantification of interlaboratory cell-free protein synthesis variability. ACS Synthetic Biology. 8 (9), 2080-2091 (2019).
  46. Caschera, F., Noireaux, V. A cost-effective polyphosphate-based metabolism fuels an all E. coli cell-free expression system. Metabolic Engineering. 27, 29-37 (2015).
  47. Levine, M. Z., et al. Activation of energy metabolism through growth media reformulation enables a 24-hour workflow for cell-free expression. ACS Synthetic Biology. 9 (10), 2765-2774 (2020).
  48. Hunt, J. P., et al. Streamlining the preparation of "endotoxin-free" ClearColi cell extract with autoinduction media for cell-free protein synthesis of the therapeutic protein crisantaspase. Synthetic and Systems Biotechnology. 4 (4), 220-224 (2019).
  49. Dopp, J. L., Jo, Y. R., Reuel, N. F. Methods to reduce variability in E. Coli-based cell-free protein expression experiments. Synthetic and Systems Biotechnology. 4 (4), 204-211 (2019).
  50. Sun, Z. Z., et al. Protocols for Implementing an Escherichia coli Based TX-TL Cell-Free Expression System for Synthetic Biology. Journal of Visualized Experiments: JoVE. , e50762 (2013).
  51. Schinn, S. M., Broadbent, A., Bradley, W. T., Bundy, B. C. Protein synthesis directly from PCR: Progress and applications of cell-free protein synthesis with linear DNA. New Biotechnology. 33 (4), 480-487 (2016).
  52. Sitaraman, K., et al. A novel cell-free protein synthesis system. Journal of Biotechnology. 110 (3), 257-263 (2004).
  53. Marshall, R., Maxwell, C. S., Collins, S. P., Beisel, C. L., Noireaux, V. Short DNA containing χ sites enhances DNA stability and gene expression in E. coli cell-free transcription-translation systems. Biotechnology and Bioengineering. 114, 2137-2141 (2017).
  54. Sun, Z. Z., Yeung, E., Hayes, C. A., Noireaux, V., Murray, R. M. Linear DNA for rapid prototyping of synthetic biological circuits in an escherichia coli based TX-TL cell-free system. ACS Synthetic Biology. 3 (6), 387-397 (2014).
  55. . Addgene: pJL1 Available from: https://www.addgene.org/69496/ (2021)
  56. . IDT Codon Optimization Tool Available from: https://www.idtdna.com/pages/tools/codon-optimization-tool (2021)
  57. Hadi, T., et al. Rolling circle amplification of synthetic DNA accelerates biocatalytic determination of enzyme activity relative to conventional methods. Scientific Reports. 10 (1), 10279 (2020).
  58. . New England Biolabs Tm Calculator Available from: https://tmcalculator.neb.com/#!/main (2021)
  59. Shin, J., Noireaux, V. Efficient cell-free expression with the endogenous E. Coli RNA polymerase and sigma factor 70. Journal of Biological Engineering. 4, (2010).
  60. Colant, N., et al. A rational approach to improving titer in Escherichia coli-based cell-free protein synthesis reactions. Biotechnology Progress. 37 (1), 3062 (2021).
  61. Burgess-Brown, N. A., et al. Codon optimization can improve expression of human genes in Escherichia coli: A multi-gene study. Protein Expression and Purification. 59, 94-102 (2008).
  62. Maertens, B., et al. Gene optimization mechanisms: A multi-gene study reveals a high success rate of full-length human proteins expressed in Escherichia coli. Protein Science. 19 (7), 1312-1326 (2010).
  63. Eckert, K. A., Kunkel, T. A. DNA polymerase fidelity and the polymerase chain reaction. Genome Research. 1 (1), 17-24 (1991).
  64. Dopp, J. L., Reuel, N. F. Process optimization for scalable E. coli extract preparation for cell-free protein synthesis. Biochemical Engineering Journal. 138, 21-28 (2018).
  65. Liu, D. V., Zawada, J. F., Swartz, J. R. Streamlining Escherichia Coli S30 extract preparation for economical cell-free protein synthesis. Biotechnology Progress. 21 (2), 460-465 (2005).
  66. Levine, M. Z., Gregorio, N. E., Jewett, M. C., Watts, K. R., Oza, J. P. Escherichia coli-Based Cell-Free Protein Synthesis: Protocols for a robust, flexible, and accessible platform technology. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (144), e58882 (2019).
  67. Kwon, Y. C., Jewett, M. C. High-throughput preparation methods of crude extract for robust cell-free protein synthesis. Scientific Reports. 5, (2015).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Biyom hendislikSay 172

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır