Name: fibs-enabled noninvasive metabolic profiling
Uploaded: 2014-02-03T15:15:00
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Agradecemos al profesor Lobo Frommer (Institución Carnegie para la Ciencia, la Universidad de Stanford) para la amabilidad de darnos la glucosa FRET plásmido y el Dr. Uwe Ludewig (Universidad de Hohenheim) por la amabilidad de suministro de la glutamina FRET construir en el vector de expresión vegetal pUTKan. AB está financiado por el programa de becas de Prioridad BBSRC apuntado. Tanto CK y KP son apoyados por RCUK Becas en Procesamiento biofarmacéuticos. CK También desea agradecer a Lonza biológicos por su apoyo financiero. El Centro para la Biología Sintética e Innovación es generosamente apoyada por el EPSRC.

1. Línea Celular Revival y mantenimiento <ol><li> Revive células CHO en 9 ml de medio de CD-CHO suplementado con 8 mM de L-glutamina y ml / L de suplemento de hipoxantina 100x / timidina 10 (medio de crecimiento completo). </li><li> Se centrifuga a 100 × g durante 5 min. </li><li> Resuspender las células en 10 ml de medio de crecimiento completo fresco. </li><li> Extraiga una muestra de 1 ml y determinar la concentración de células viables mediante microscopía óptica utilizando el método de exclusión del col...

<ol>
	<li>Moser, I., Jobst, G., Urban, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biosensor+arrays+for+simultaneous+measurement+of+glucose,+lactate,+glutamate,+and+glutamine.">Biosensor arrays for simultaneous measurement of glucose, lactate, glutamate, and glutamine.</a> Biosens. Bioelectron. 17 (4), 297-302 (2002).</li><li>Billingsley, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescent+nano-optodes+for+glucose+detection.">Fluorescent nano-optodes for glucose detection.</a> Anal. Chem. 82 (9), 3707-3713 (2010).</li><li>Dattelbaum, J. D., Lakowicz, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Determination+of+Glutamine+Using+a+Genetically+Engineered+Protein.">Optical Determination of Glutamine Using a Genetically Engineered Protein.</a> Anal. Biochem. 291 (1), 88-95 (2001).</li><li>Kfouri, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+miniaturized+wireless+fluorescence-based+diagnostic+imaging+system.">Toward a miniaturized wireless fluorescence-based diagnostic imaging system.</a> IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 14 (1), 226-234 (2008).</li><li>Dittrich, P. S., Manz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+fluorescence+detection+in+microfluidic+channels&#8212;the+Holy+Grail+in+muTAS.">Single-molecule fluorescence detection in microfluidic channels&#8212;the Holy Grail in muTAS.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 382 (8), 1771-1782 (2005).</li><li>Hou, B. H., Codamo, J., Pilbrough, W., Hughes, B., Gray, P. P., Munro, T. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+sensors+for+monitoring+dynamic+changes+of+intracellular+metabolite+levels+in+mammalian+cells.">Optical sensors for monitoring dynamic changes of intracellular metabolite levels in mammalian cells.</a> Nat. Protoc. 6 (7), 1818-1833 (2011).</li><li>Bermejo, C., Haerizadeh, F., Takanaga, H., Chermak, D., Frommer, W. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+analysis+of+cytosolic+glucose+and+ATP+levels+in+yeast+using+optical+sensors.">Dynamic analysis of cytosolic glucose and ATP levels in yeast using optical sensors.</a> Biochem. J. 432, 399-406 (2010).</li><li>Yang, H. Y., Bogner, M., Stierhof, Y. D., Ludewig, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=H(+)-independent+glutamine+transport+in+plant+root+tips.">H(+)-independent glutamine transport in plant root tips.</a> Plos One. 5, (2010).</li><li>Fehr, M., Takanaga, H., Ehrhardt, D. W., Frommer, W. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evidence+for+high-cavacity+bidirectional+glucose+transport+across+the+endoplasmic+reticulum+membrane+by+genetically+encoded+fluorescence+resonance+energy+transfer+nanosensors.">Evidence for high-cavacity bidirectional glucose transport across the endoplasmic reticulum membrane by genetically encoded fluorescence resonance energy transfer nanosensors.</a> Mol. Cell. Biol. 25 (24), 11102-11112 (2005).</li><li>Ai, H. W., Hazelwood, K. L., Davidson, M. W., Campbell, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescent+protein+FRET+pairs+for+ratiometric+imaging+of+dual+biosensors.">Fluorescent protein FRET pairs for ratiometric imaging of dual biosensors.</a> Nat. Methods. 5 (5), 401-403 (2008).</li><li>Ouyang, M. X., Sun, J., Chien, S., Wang, Y. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+hierarchical+relationship+of+Src+and+Rac+at+subcellular+locations+with+FRET+biosensors.">Determination of hierarchical relationship of Src and Rac at subcellular locations with FRET biosensors.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (38), 14353-14358 (2008).</li><li>Han, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cultivation+of+recombinant+Chinese+hamster+ovary+cells+grown+as+suspended+aggregates+in+stirred+vessels.">Cultivation of recombinant Chinese hamster ovary cells grown as suspended aggregates in stirred vessels.</a> J. Biosci. Bioeng. 102 (5), 430-435 (2006).</li><li>Deuschle, K., Okumoto, S., Fehr, M., Looger, L. L., Kozhukh, L., Frommer, W. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+optimization+of+a+family+of+genetically+encoded+metabolite+sensors+by+semirational+protein+engineering.">Construction and optimization of a family of genetically encoded metabolite sensors by semirational protein engineering.</a> Protein Sci. 14 (9), 2304-2314 (2005).</li><li>Wong, D. C. F., Wong, N. S. C., Goh, J. S. Y., May, L. M., Yap, M. G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Profiling+of+N-Glycosylation+gene+expression+in+CHO+cell+Fed-batch+cultures.">Profiling of N-Glycosylation gene expression in CHO cell Fed-batch cultures.</a> Biotechnol. Bioeng. 107 (2), 516-528 (2010).</li><li>Behjousiar, A., Kontoravdi, C., Polizzi, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Monitoring+of+Intracellular+Glucose+and+Glutamine+in+CHO+Cell+Culture.">In Situ Monitoring of Intracellular Glucose and Glutamine in CHO Cell Culture.</a> PLoS One. 7, (2012).</li><li>Dwyer, M. A., Hellinga, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Periplasmic+binding+proteins:+a+versatile+superfamily+for+protein+engineering.">Periplasmic binding proteins: a versatile superfamily for protein engineering.</a> Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (4), 495-504 (2004).</li></ol>

Los FIBS permiten in vivo y en la cuantificación in situ de moléculas clave, en este caso nutrientes limitantes del crecimiento, la eliminación de incertidumbres derivadas de temple y métodos de extracción. Los hallazgos sugieren que existe una buena correlación entre la señal FIBS y las concentraciones intracelulares en el rango de 1-5 mm para la glucosa y 0,3-2 mM de glutamina. En el lote de cultivo de células CHO, estas concentraciones se encuentran en las fases de declive exponenci...

Monitoreo metabolito tiene diversas aplicaciones en el procesamiento biológico, incluyendo el desarrollo del proceso, los medios de comunicación y el diseño de alimentación, y la ingeniería metabólica. Varios métodos están disponibles para las mediciones de concentración a través de la utilización de 1 enzimática, química 2, o ensayos de unión 3. Una opción interesante es el uso de lámparas fluorescentes, en sensores biológicos in vivo como reporteros de la concentración intracelular de metabolitos clave a base de proteínas. En los ensayos de volumen ultra bajo, la fluorescencia es una herramienta conveniente como la miniaturización realmente mejora la relación de 4,5-señal-ruido y sensores basados ​​en proteínas puede ser codificado genéticamente el sentido de que no hay reactivos exógenos son necesarios para el análisis de metabolitos. Transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET) biosensores consisten en dos proteínas fluorescentes conectadas por un dominio de unión a ligando. FRET es una transferencia de energía no radiante de un donante fotoexcitado a un aceptor fluorescente molécula locat<html> ed en estrecha proximidad (&lt;100). La escisión ligando o unión provoca un cambio conformacional en el sensor, que, a su vez, induce un cambio en la proximidad de los fluoróforos, lo que lleva a un cambio en la eficiencia de FRET medido por el cambio en el espectro de emisión. Sensores biológicos FRET integrados (FIBS) se producen de forma constitutiva dentro de la línea celular y sus características espectrales cambian en función de la concentración del metabolito dentro de la célula. FIBS tienen tiempos de respuesta rápidos lo que es ideal para la toma de mediciones para los modelos dinámicos 6. Aplicaciones anteriores incluyen el monitoreo individuales 7-9 y múltiples 10 metabolitos y proporcionar datos sobre la distribución espacio-temporal 11. FIBS se pueden crear en dos configuraciones: Apo-Max, donde la unión del ligando altera la proximidad de los fluoróforos bajada de transferencia de energía y Apo-Min, donde la unión del ligando trae los dos fluoróforos en contacto más estrecho (Figura 1). _content &quot;&gt; En este trabajo, se presenta un protocolo para la construcción de ovario de hámster chino (CHO) líneas celulares que expresan constitutivamente una FIBS de un metabolito, glucosa o glutamina. Se establece una metodología para la calibración del sensor in vivo para permitir el futuro cuantitativa mediciones de la concentración de metabolito intracelular, tal como se presenta en la Figura 2. Sobre la base de esto, la concentración intracelular de glucosa o glutamina pueden determinarse en discontinuos alimentados cultivos de células CHO, al que se añadieron los dos nutrientes en altas concentraciones en-proceso. Los resultados demuestran que el uso de la señal fluorescente de los FIBS y la curva de calibración previamente construido, la predicción precisa de la concentración intracelular es posible, como se confirmó mediante un ensayo enzimático independiente. Este método ofrece ventajas sustanciales sobre tecnologías analíticas actuales, ya que no es invasiva y de bajo costo y rápido, dando una señal en tiempo real de los FIBS que pueden ser lunmonitoriza todo el cultivo.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="936">
	<colgroup>
		<col />
		<col span="2" />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:239px;">CHO-S Cells</td>
			<td style="width:120px;">Life Tecnologies</td>
			<td style="width:120px;">11619-012</td>
			<td style="width:459px;">Cell line will vary depending on the goals of the study</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:239px;">pCDNA4/TO vector&#160;</td>
			<td style="width:120px;">Life Tecnologies</td>
			<td style="width:120px;"></td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">TransIT-PRO Transfection Reagent</td>
			<td style="width:120px;">Mirus Bio</td>
			<td style="width:120px;">MIR 5700</td>
			<td style="width:459px;">Transfections can be accomplished using any method suitable for the cell line under study</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:239px;">Zeocin</td>
			<td style="width:120px;">Invivogen</td>
			<td style="width:120px;"></td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">CD-CHO medium</td>
			<td style="width:120px;">Life Technologies</td>
			<td style="width:120px;">10743-011</td>
			<td style="width:459px;">Cell growth medium is dependent upon the cells under study</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">100X HT Supplement</td>
			<td style="width:120px;">Life Technologies</td>
			<td style="width:120px;">11067-030</td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">L-Glutamine 200 mM (100X), Liquid</td>
			<td style="width:120px;">Life Technologies</td>
			<td style="width:120px;">25030032</td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">InfinitePRO 200 plate reader</td>
			<td style="width:120px;">Tecan</td>
			<td style="width:120px;">FLx800TBI</td>
			<td style="width:459px;">Any 96-well fluorescence plate reader that can access the required wavelengths can be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="190" rowspan="6" style="height:190px;width:239px;">Filters for plate reader</td>
			<td rowspan="6" style="width:120px;">Tecan</td>
			<td align="right" style="width:120px;">30000463</td>
			<td rowspan="6" style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:120px;">(520NM BW 10NM)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td align="right" height="21" style="height:21px;width:120px;">30022786</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:120px;">(430NM BW 35NM)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td align="right" height="21" style="height:21px;width:120px;">30022787</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:120px;">(465NM BW 35NM)</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:239px;">Maxiprep Plasmid Purification Kit</td>
			<td style="width:120px;">Qiagen</td>
			<td style="width:120px;">12163</td>
			<td style="width:459px;">Any suitable kit can be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">Amplex Red glucose/glucose oxidase assay kit</td>
			<td style="width:120px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:120px;">A22189</td>
			<td style="width:459px;">Any suitable kit can be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">EnzyChrom&#160; Glutamine Assay Kit</td>
			<td style="width:120px;">BioAssay systems</td>
			<td style="width:120px;">EOAC-100</td>
			<td style="width:459px;">Any suitable kit can be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:239px;">Improved Neubauer haemocytometer</td>
			<td style="width:120px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:120px;">MNK-420-010N</td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:239px;">Incubator&#160;</td>
			<td style="width:120px;">Nuaire</td>
			<td style="width:120px;">NU-5510E</td>
			<td style="width:459px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fibs-enabled noninvasive metabolic profiling

En la era de la biología computacional, nuevos sistemas experimentales de alto rendimiento son necesarios con el fin de poblar y refinar los modelos para que puedan ser validados para fines predictivos. Idealmente estos sistemas serían bajo volumen, que se opone a los análisis de muestreo y destructivas cuando los datos de curso de tiempo se han de obtener. Lo que se necesita es una herramienta de supervisión in situ en la que puede reportar la información necesaria en tiempo real y de forma no invasiva. Una opción interesante es el uso de lámparas fluorescentes, en sensores biológicos in vivo como reporteros de concentraciones intracelulares a base de proteínas. Una clase particular de in vivo biosensores que ha encontrado aplicaciones en la cuantificación metabolito se basa en Förster de transferencia de energía de resonancia (FRET) entre dos proteínas fluorescentes conectadas por un dominio de unión a ligando. FRET sensores biológicos integrados (FIBS) se producen de forma constitutiva dentro de la línea celular, que tienen tiempos de respuesta rápidos y su cha espectralrísticas cambios de acuerdo a la concentración del metabolito dentro de la célula. En este documento, se describe el método para la construcción de ovario de hámster chino (CHO) líneas celulares que expresan constitutivamente una FIBS para la glucosa y la glutamina y la calibración de los FIBS in vivo en cultivo celular por lotes con el fin de permitir que el futuro cuantificación de la concentración de metabolito intracelular. Los datos de fed-batch cultivos de células CHO demuestra que los FIBS fue capaz en cada caso para detectar el cambio resultante en la concentración intracelular. Uso de la señal fluorescente de los FIBS y la curva de calibración previamente construido, la concentración intracelular se determinó con precisión como se confirmó mediante un ensayo enzimático independiente.

Una visión general de la metodología se presenta en la Figura 2. En el trabajo presentado en este documento, las células CHO fueron transfectadas con el vector de FIBS y líneas celulares estables se seleccionaron a una presión de antibiótico de 400 mg / ml de zeocina. Por lo tanto, se crearon dos líneas celulares estables que expresan constitutivamente separados los sensores de glucosa y glutamina. Figura 1 representa las configuraciones de los dos biosensores utilizados en este ...

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FIBS-enabled Noninvasive Metabolic Profiling

Se presenta una descripción de cómo calibrar Transferencia Förster Resonance Energy sensores biológicos integrados (FIBS) en el perfil metabólico situ. Los FIBS se pueden utilizar para medir los niveles intracelulares de metabolitos de forma no invasiva ayudando en el desarrollo de modelos metabólicos y cribado de alto rendimiento de las condiciones de bioprocesos.

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In the era of computational biology, new high throughput experimental systems are necessary in order to populate and refine models so that they can be ...

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