Bu protokol, hücre dışı membrana bağlı veziküller içinde paketlenmiş, tipik olarak çözünmeyen veya disülfür bağı içeren proteinler de dahil olmak üzere rekombinant proteinlerin bakteriyel üretimi için ayrıntılı bir yöntem açıklamaktadır. Bu, uygulamalı biyoteknoloji ve tıp da dahil olmak üzere çok yönlü bilimsel araştırma alanlarına uygulanma potansiyeline sahiptir.
E. coli'den membrana bağlı veziküllerde çoklu rekombinant proteinleri ihraç eden kısa bir peptit etiketi kullanan bu yenilikçi sistem, bakteriyel rekombinant protein ekspresyonu ile ilişkili bir dizi soruna etkili bir çözüm sunar. Bu rekombinant veziküller, bakterilerden başka türlü zorlu, toksik, çözünmez veya disülfür bağı içeren proteinlerin üretimini kolaylaştıran mikro bir ortamda proteinleri bölümlere ayırır. Vezikül çekirdekli peptid etiketinin yokluğunda tipik bakteri ekspresyonuna kıyasla protein verimi önemli ölçüde artar. Vezikül paketlenmiş proteinlerin salınması, kültür ortamından izolasyonu destekler ve uzun süreli aktif protein depolanmasına izin verir. Bu teknoloji, uygulamalı biyoteknolojiden keşif bilimi ve tıbbına kadar çeşitli uygulamalar için basitleştirilmiş aşağı akış işleme için vezikül paketlenmiş, fonksiyonel proteinlerin veriminin artmasına neden olur. Bu makalede ve ilgili videoda, rekombinant protein dolu vezikül üretimini en üst düzeye çıkarmak için metodolojideki önemli adımları vurgulayan yöntemin ayrıntılı bir protokolü sağlanmıştır.
Gram-negatif bakteri E. coli , hem endüstriyel hem de akademik ölçekte rekombinant protein üretimi için çekici bir sistemdir. Sadece yüksek yoğunluklu partiler halinde kültüre uygun maliyetli ve basit olmakla kalmaz, aynı zamanda E. coli1'de fonksiyonel proteinlerin üretimini teşvik etmek için geniş bir reaktifler, suşlar, aletler ve promotörler spektrumu kurulmuştur. Ek olarak, sentetik biyoloji teknikleri şimdi tipik olarak çeviri sonrası modifikasyonların uygulanması ve karmaşık proteinlerin katlanması ile ilgili engellerin üstesinden gelmektedir2. Rekombinant proteinlerin kültür ortamına salgılanmasını hedefleme yeteneği, verimi artırmak ve üretim maliyetlerini azaltmak için caziptir. Kullanıcı tanımlı proteinlerin membran veziküllerine kontrollü bir şekilde paketlenmesi, uygulanan biyoteknoloji ve tıp endüstrilerinde ürün ve teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olur. Şimdiye kadar, E. coli 3'ten rekombinant proteinleri salgılamak için yaygın olarak uygulanabilir yöntemlerin eksikliği vardı.
Eastwood ve ark. yakın zamanda E. coli1'den rekombinant protein içeren veziküllerin üretilmesi ve izole edilmesi için peptid etiketleme tabanlı bir yöntem geliştirmiştir. Bu Vezikül Çekirdeklendirici peptit (VNp), hedef proteinin saflaştırılmasını ve depolanmasını basitleştirmek için tercih edilen rekombinant proteinin hedeflenebileceği hücre dışı bakteriyel membran veziküllerinin üretimine izin verir ve şişe kültürlerinin sallanmasından normalde izin verilenden önemli ölçüde daha yüksek verim sağlar. Şişe kültürünün litresi başına 3 g'a yakın rekombinant protein verimi bildirilmiştir ve VNp etiketinden yoksun eşdeğer proteinlerle elde edilenlerden >100 kat daha yüksek verim elde edilmiştir. Bu rekombinant protein bakımından zenginleştirilmiş veziküller, kültür ortamından hızla saflaştırılabilir ve konsantre edilebilir ve depolama için kararlı bir ortam sağlar. Bu teknoloji, E. coli rekombinant protein üretiminde büyük bir atılımı temsil etmektedir. Veziküller, toksik ve disülfür bağı içeren proteinleri çözünür ve fonksiyonel bir biçimde bölümlere ayırır ve uzun süreli depolama veya doğrudan işleme için vezikül paketli, fonksiyonel proteinlerin basit, verimli ve hızlı saflaştırılmasını destekler1.
Bu teknolojinin mevcut tekniklere göre sunduğu başlıca avantajlar şunlardır: (1) çeşitli boyutlara (1 kDa ila >100 kDa) ve protein türlerine uygulanabilirlik; (2) proteinler arası ve protein içi disülfür bağ oluşumunu kolaylaştırmak; (3) multiprotein komplekslerine uygulanabilir; (4) bir dizi promotör ve standart laboratuvar E. coli suşları ile kullanılabilir; (5) Normalde sadece fermantasyon kültürlerinde görülen sallanan şişelerden protein veriminin üretilmesi; proteinler ihraç edilir ve membrana bağlı veziküllere paketlenir (6) aktif çözünür proteinin depolanması için kararlı bir ortam sağlar; ve (7) çıkış yönündeki işlemeyi ve protein saflaştırmayı basitleştirir. Bu basit ve uygun maliyetli rekombinant protein aracının, biyoteknoloji ve tıp endüstrilerinin yanı sıra keşif bilimi üzerinde de olumlu bir etkisi olması muhtemeldir.
Burada, birkaç yıl içinde geliştirilen ayrıntılı bir protokol, VNp teknolojisi ile bakterilerden rekombinant protein dolu veziküller üretmek için en uygun koşulları açıklamaktadır. Bu sistemin pratikte örnek görüntüleri, üretim, saflaştırma ve konsantrasyonun farklı aşamalarında veziküllerin varlığının görselleştirilmesine izin veren bir floresan proteini eksprese edilerek gösterilmiştir. Son olarak, bakterilerden VNp füzyon içeren veziküllerin üretimini doğrulamak için canlı hücre görüntülemenin nasıl kullanılacağı konusunda rehberlik sağlanmaktadır.
Üstlenilen bakteri çalışması, her bir suşun belirli biyogüvenlik tehlike seviyesine uygun yerel, ulusal ve uluslararası biyogüvenlik koruma yönetmeliklerini takip eder.
1. Farklı VNp'lerin seçimi
2. Bakteriyel hücre kültürü ve protein indüksiyonu
NOT: Bu protokolde tipik olarak kullanılan bakteri suşları Escherichia coli BL21 (DE3) veya W3110'dur. E. coli hücreleri, lizojen suyu (LB) (10 g / L tripton; 10 g / L NaCl; 5 g / L maya ekstresi) veya müthiş et suyu (TB) (12 g / L tripton; 24 g / L maya ekstresi; 4 mL / L% 10 gliserol; 17 mM KH2PO 4; 72 mM K2HPO4, ayrı ayrı otoklavlanmış tuzlar) ortamında kültürlenir (bkz. Protein indüksiyonunun her adımını ve ardından izolasyon ve saflaştırma işlemini gösteren örnek görüntüler Şekil 2'de gösterilmiştir.
3. Rekombinant vezikül izolasyonu
4. İzole veziküllerden çözünür protein salınımı
5. Protein konsantrasyonu tayini
6. Vezikül oluşumunun ve izole veziküllerin floresan mikroskobu ile görselleştirilmesi
NOT: Hücreler floresan olarak etiketlenmiş VNp füzyonu veya membran belirteçleri içeriyorsa, vezikül oluşumunu takip etmek için canlı hücre görüntüleme kullanılabilir. Alternatif olarak, floresan lipit boyaları, üretimi ve saflaştırmayı doğrulamak için vezikülleri görselleştirmek için kullanılabilir.
VNp6-mNeongreen ekspresyon yapısını içeren BL21 DE3 E. coli, geç log fazına kadar büyütüldü (Şekil 2A). VNp6-mNeongreen ekspresyonu, kültüre IPTG'nin eklenmesiyle (20 μg / mL veya 84 μM nihai konsantrasyon) indüklendi ve daha sonra kuvvetli sallanma (200 rpm, ≥25 mm yörünge atışı) ile 37 ° C'de gece boyunca büyümeye bırakıldı. Ertesi sabah, kültür, bakteri hücrelerinin santrifüjleme ile uzaklaştırılmasından sonra ortamda görünür kalan mNeongreen floresan7'yi (Şekil 2B) gösterdi (Şekil 2C). VNp-mNeongreen'in kültür ve temizlenmiş kültür medyasındaki varlığı SDS-PAGE tarafından doğrulanmıştır (Şekil 2D). mNeongreen içeren veziküller 0.1 μm MCE filtresi üzerine izole edildi (Şekil 2E) ve PBS'de yeniden askıya alındı (Şekil 2F). Saflaştırılmış veziküller daha sonra bir agaroz pedi üzerine monte edildi (Şekil 3A-C) ve geniş alan floresan mikroskobu kullanılarak görüntülendi (Şekil 4A). Vezikül membranlarının varlığı lipofilik floresan boya FM4-64 kullanılarak doğrulandı (Şekil 4B). mNeongreen (yeşil) ve VNp6-mCherry2 (macenta)8 ile kaynaşmış iç membran proteini CydB'yi eksprese eden E. coli hücreleri, canlı bakteri hücrelerinde vezikül üretimi ve kargo yerleştirme göstermektedir (Şekil 4C). Şekil 4A,B, geniş alan floresan mikroskobu kullanılarak yakalanırken, Şekil 4C, daha önce 9,10'da açıklanan yöntemler kullanılarak yapılandırılmış aydınlatma mikroskobu (SIM) kullanılarak elde edilmiştir.
Şekil 1: Bir klonlama stratejisinin tasarlanmasından hücre dışı veziküllerin saflaştırılmasına ve depolanmasına kadar VNp teknolojisinin özeti. (A) Tipik bir VNp füzyon proteininin şeması. NH2 terminusunda VNp, ardından esnek bir bağlayıcı ve afinite ve floresan etiketlerinin uygun bir kombinasyonu (Tag1, Tag 2, proteaz bölünme bölgesi [örneğin, TEV]) ve ilgilenilen protein. (B) E. coli'den rekombinant protein dolu membran veziküllerinin ekspresyonu ve saflaştırılması için protokolü özetleyen şematik diyagram. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: VNp6-mNg veziküllerinin üretim ve saflaştırma aşamaları. VNp-mNeongreen ekspresyonunu içeren E. coli hücrelerinin kültürleri, füzyon proteininin IPTG kaynaklı ekspresyonundan önce (A) veya sonra (B) mavi ışıkta oluşur. (B)'den gelen hücreler santrifüjleme ile uzaklaştırıldı ve ortamdaki (C) VNp-mNeongreen dolu veziküller bırakıldı. (D) A, B ve C'den alınan eşdeğer örnekler SDS-PAGE ve coomassie boyama ile analiz edildi. Veziküller 0.1 μm'lik bir filtre (E) üzerinde izole edildi ve daha sonra uygun bir tampon hacmine (F) yıkandı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Veziküllerin ve vezikül üretiminin görüntülenmesi için hücre montaj prosedürü. (A-C) Agaroz pedi yöntemi ve (D-F) E. coli hücrelerini kapak kaymasına monte etmek için PEI yöntemi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: VNp rekombinant veziküllerinin mikroskopi görüntüleri. Bir agaroz pedi üzerine monte edilmiş VNp6-mNeongreen içeren veziküllerin farklı alanlarından gelen yeşil (A) ve kırmızı (B) emisyon görüntüleri. (C) mNeongreen (yeşil) ve VNp6-mCherry2 (macenta) ile kaynaşmış iç zar proteini CydB'yi eksprese eden E. coli hücrelerinin görüntülenmesi, canlı bakteri hücrelerinde vezikül üretimini ve kargo yerleştirmeyi gösterir. (A,B) geniş alan floresan mikroskobu kullanılarak görüntülenirken, (C) yapılandırılmış aydınlatma mikroskobu (SIM) kullanılarak elde edildi. Ölçek çubukları: (A,B) = 10 μm; (C) = 1 μm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Yukarıda tarif edilen rekombinant proteinlerin üretimi için amino-terminal peptid etiketli yöntem, verimli bir şekilde izole edilebilen ve / veya aylarca saklanabilen büyük miktarlarda protein veren basit bir işlemdir.
Bu sistemin optimum kullanımı için gerekli olan protokoldeki temel adımları vurgulamak önemlidir. İlk olarak, VNp etiketi1 , N-terminus'ta bulunmalı, ardından ilgilenilen protein ve uygun etiketler bulunmalıdır. Ampisilin gibi peptidoglikan tabakasını hedef alan antibiyotiklerin kullanılmasından kaçınmak da önemlidir.
Büyüme koşulları açısından, vezikül üretimini en üst düzeye çıkarmak için zengin medya (örneğin, LB veya TB ortamı) ve yüksek bir yüzey alanı: hacim oranı gereklidir. Hücre dışı veziküllerin üretimi için en uygun sıcaklık 37 ° C'dir, ancak ilgilenilen proteinin ekspresyonu için tipik olarak gerekli koşullar da dikkate alınmalıdır. Daha düşük indüksiyon sıcaklıkları için VNp6 kullanılmalıdır. En önemlisi, T7 promotörünün indüksiyonu, hücreler 0.8-1.0'lık bir OD600'e ulaştığında 20 μg / mL (84 μM) IPTG'den daha büyük olmayan bir şekilde gerçekleştirilmelidir. Sistem kullanılarak eksprese edilen proteinler, 4 saatte veya gece boyunca indüksiyondan sonra maksimum vezikül üretimine ulaşır.
Bu protokolün basitliğine rağmen, optimizasyon gerektirir. VNp varyantı füzyonu, ekspresyon sıcaklıkları ve indüksiyon zaman periyotları, ilgilenilen proteine bağlı olarak farklılık gösterebilir. Ayrıca, ortamdan hücre dışı veziküllerin saflaştırılmasını ve müteakip konsantrasyonunu optimize etmeye ihtiyaç vardır. Geçerli yordam ölçeklenebilir değildir ve zaman alıcı olabilir. Bunlar bu metodolojinin sınırlamalarıdır.
VNp teknolojisinin geleneksel yöntemlere göre birçok avantajı vardır2. Çeşitli proteinlerin veziküler ihracatına izin verir, bugüne kadar başarıyla ifade edilen maksimum boyut, dahili kalan veziküller için 175 kDa ve ihraç edilenler için 85 kDa'dır. Ayrıca, bu teknoloji bir dizi fiziksel özellik ve aktiviteye sahip rekombinant proteinlerin verimini önemli ölçüde artırabilir. İlgili proteini içeren ihraç edilen veziküller, önceden temizlenmiş ortamdan basit filtreleme ile izole edilebilir ve daha sonra steril kültür ortamında veya tamponda, birkaç ay boyunca 4 ° C'de saklanabilir.
Bu sistemin uygulamaları, keşif biliminden uygulamalı biyoteknoloji ve tıbba (örneğin, fonksiyonel terapötiklerin üretimi yoluyla) kadar çeşitlidir3. Üretim kolaylığı, çıkış yönündeki işleme ve yüksek verim, bu alanlarda ve özellikle endüstride çekici niteliklerdir.
Yazarlar rakip finansal çıkarlar veya diğer çıkar çatışmaları olmadığını beyan ederler.
Yazarlar, VNp teknolojisini açıklayan makalede sunulan protokol hakkında sorular soran çeşitli Twitter kullanıcılarına teşekkür ediyor. Şekil 1A , flaticon.com'daki simgeler kullanılarak oluşturulmuştur. Bu çalışma Kent Üniversitesi tarafından desteklenmiş ve Biyoteknoloji ve Biyolojik Bilimler Araştırma Konseyi (BB / T008/768/1 ve BB / S005544/1) tarafından finanse edilmiştir.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır