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方法文章

利用基因编码生物传感器在生物技术背景下分析岩藻糖基化人乳三糖

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DOI：

10.3791/59253

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2019年4月13日

 , 
1Department of Chemical and Biological Engineering, Iowa State University

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用全细胞生物传感器对岩藻糖基化人乳寡糖（HMOs）进行高通量检测与定量的方法。同时，我们还展示了该平台在HMO生产菌株分析中的应用，重点在于提高信噪比。

摘要

人乳寡糖（HMOs）是人乳中复杂的碳水化合物成分，对婴儿健康具有多种益处。然而，由于单糖及其糖苷键的检测与定量方法通量相对较低，限制了其生物技术合成的优化。传统的聚糖分析技术包括色谱/质谱方法，每日可处理数百个样品，但缺乏自动化。本文中，我们展示了一种基因编码的细菌生物传感器，可用于高通量、特异性识别和定量岩藻糖基化HMO结构——2'-岩藻糖基乳糖和3-岩藻糖基乳糖，该传感器通过异源表达岩藻糖苷酶实现。由于乳糖在乳汁或生物技术工艺中的存在可能导致假阳性信号，我们还展示了利用不同策略降低乳糖干扰信号的方法。由于该技术具有高通量特性，可在数小时内并行检测多种反应条件或生物反应器参数，从而加速HMO生产的优化。

引言

人乳寡糖（HMOs）是一类来源于乳糖的寡糖，通常由三至八个单糖单元组成。它们具有一个乳糖（Gal-β1,4-Glc）还原端，并通过糖苷键（β-1,3 或 β-1,6）进一步延伸至葡萄糖（Glc）、半乳糖（Gal）或 N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）。此外，还常添加岩藻糖（Fuc，α-1,2 或 α-1,3）或唾液酸（Sia 或 NeuAc，α-2,3 或 α-2,6）残基1。

目前对寡糖及其他碳水化合物的分析在通量和范围上均受到色谱/质谱（MS）技术的限制2,3,4,5,6,7，每份样品的分析时间大约需要一小时，更不用说还需要昂贵的设备、专用色谱柱和衍生化试剂，以及操作这些仪器所需的专业技术8。寡糖的连接方式尤其难以确定，需要采用高级质谱技术9,10或核磁共振（NMR）技术11。因此，寡糖合成的快速优化受到这一缓慢分析步骤通量的限制。

在本研究中，我们展示了基于乳糖的岩藻糖基化三糖人乳低聚糖（HMOs）的连接特异性检测，重点关注人乳中含量最丰富的HMO——2’-岩藻糖基乳糖（2’-FL），采用一种基因编码的 大肠杆菌 全细胞生物传感器，检测限为 4 mg/L。该生物传感器的一个重要特性是能够区分异构三糖。其设计原理基于在细胞中表达特异性的岩藻糖苷酶 E. coli 能够从人乳寡糖（HMOs）中释放乳糖，其存在可通过以下方法检测 lac 操纵子，进而产生荧光信号。我们通过构建一个双质粒系统实现这一目标，其中一个质粒携带连接特异性的岩藻糖苷酶，另一个则携带荧光报告蛋白。该生物传感器平台适用于通过流式细胞术或微孔板读数仪进行高通量筛选。我们还展示了该生物传感器在定量检测由工程菌株产生的2’-岩藻糖基乳糖（2’-FL）中的应用12本研究中，我们还提出了三种选择性去除乳糖的策略，因为当工程生产菌株在乳糖上生长时，乳糖可能导致生物传感器产生假阳性信号。

综上所述，这种基因编码的生物传感器能够以连接方式特异性的手段检测并定量人乳寡糖（HMOs），而这一点即使是色谱法、质谱法或核磁共振技术也难以实现。由于该方法具有高通量和操作简便的优势，预计将在HMOs的代谢工程与合成领域得到广泛应用。

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方案

1. 细胞培养与诱导条件

注意：以下实验中使用三种菌株：E. coli BL21 (DE3) 携带空载体，E. coli BL21 (DE3) 携带质粒 pAfcA14 和 pET28:绿色荧光蛋白（GFP），以及 E. coli BL21 (DE3) 携带质粒 pAfcB14 和 pET28:GFP。所有菌株均在含适当抗生素的LB培养基（Luria-Bertani broth）或最小培养基中培养。用去离子水（DI water）配制1,000倍浓度的卡那霉素（50 mg/mL）和羧苄青霉素（100 mg/mL）储备液。

  1. 培养基制备
    1. 通过将25 g LB粉末溶于1 L去离子水中来制备LB培养基。在121 °C下高压灭菌20分钟以实现灭菌。待灭菌后的LB培养基温度降至60 °C以下时，每1 mL LB培养基中加入1 µL抗生素母液。
    2. 制备LB平板时，需在灭菌前向LB培养基中加入15 g琼脂。待灭菌后的LB琼脂培养基温度降至60 °C以下时，再加入抗生素。
    3. 对于生物传感细胞，需制备含有两种抗生素（卡那霉素和羧苄青霉素）的培养基或平板。
  2. 碳水化合物诱导剂
    1. 配制碳水化合物诱导剂的母液，其摩尔浓度相当于20 g/L乳糖：即2'‑岩藻糖基乳糖（2’-FL）和3‑岩藻糖基乳糖（3-FL）分别为29 g/L。
      注意：每200 µL细胞需添加20 µL的2’-FL或3-FL。
    2. 用终浓度为2.0 g/L的乳糖或终浓度为2.9 g/L的2’-FL/3-FL诱导200 µL细胞。在37 °C下持续振荡培养，并过夜培养。
  3. 细胞培养
    1. 实验前一天，使用无菌操作技术，从新鲜细菌菌落接种5 mL含卡那霉素和羧苄青霉素的LB培养基。
    2. 所有培养物均在37 °C下振荡培养，并过夜生长。
    3. 将50 µL过夜培养物转移至5 mL新鲜的含卡那霉素和羧苄青霉素的LB/M9培养基中，在37 °C下持续振荡培养，直至培养物在600 nm处的光密度（OD600）达到0.5–0.7。此时细胞处于对数中期，可用于诱导。

2. 荧光测量与检测限

  1. 流式细胞术样品的细胞准备
    1. 将过夜培养物转移至1.5 mL离心管中，在12,500 x g 条件下离心1分钟。
    2. 弃去上清液，将沉淀重悬于500 µL 1x磷酸盐缓冲液（PBS；含6 mM Na2HPO4、1.8 mM NaH2PO4、145 mM NaCl的去离子水溶液，pH 7.2）中，制备单细胞悬液，并将单细胞悬液转移至5 mL流式细胞术管中。
    3. 将细胞置于4 °C避光保存，直至上机进行流式细胞术检测。为获得最佳结果，应尽快分析细胞样品。
    4. 选择488 nm激光激发GFP，使用525/50 nm带通滤光片收集异硫氰酸荧光素（FITC）荧光信号（采集20,000–40,000个事件，并根据前向散射和侧向散射设门以排除聚集细胞和碎片）。
  2. 生物传感器的校准
    1. 为建立标准曲线，将标准品2'-岩藻糖基乳糖（2’-FL）配制成8–10个浓度梯度，浓度范围为0–2,500 mg/L。
    2. 培养含有pAfcA和pET28:GFP质粒的2’-FL生物感应细胞，并按照第1.3节所述方法，用上述系列稀释的标准品进行诱导。每个稀释浓度需设置三个生物学重复。

3. 生产菌株中2’-FL的检测与定量

  1. 生产菌株的培养
    1. 配制最小培养基时，分别配制 1 M K2HPO4、FeSO4·7H2O、柠檬酸钠和 1 M 盐酸硫胺溶液，并使用 0.22 µm 滤器进行除菌。将 M9 培养基粉末与 1 L 去离子水混合，于 121 °C 高压灭菌 15 分钟。将溶液冷却至 50 °C，然后加入 MgSO4、CaCl2、K2HPO4、FeSO4·7H2O、柠檬酸钠和盐酸硫胺，使其终浓度分别为 2 mM、0.1 mM、12 g/L、11 mg/L、75 mg/L 和 7.5 µg/L。
    2. 在 5 mL LB 培养基中接种 2’-FL 生产菌株（例如 JM109 gwBC-F2），于 37 °C 过夜培养，具体操作参见 Baumgartner 等人12 的描述。
    3. 按前述第 1.3.3 步所述方法，取 1% 接种量转接至 250 mL 第 3.1.1 步配制的最小培养基中，加入甘油至终浓度为 10 g/L，并于 37 °C 培养。
    4. 当菌液 OD600 达到 0.5–0.7 时，加入异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）至终浓度 0.5 mM，以及乳糖至终浓度 2 g/L。
    5. 于 37 °C 持续振荡培养 24 小时。
  2. 2’-FL 的提取
    1. 将过夜培养物转移至无菌 50 mL 离心管中，在 900 × g 条件下离心 15 分钟。
    2. 弃去上清液，用去离子水重悬沉淀。重复洗涤三次以去除残留乳糖，最后用 5 mL 去离子水重悬。
    3. 使用超声破碎仪在 30% 功率下以 30 秒脉冲处理细胞悬液进行裂解，操作过程中始终保持样品置于冰上。
    4. 将裂解后的细胞在 2,000 × g 条件下离心 25 分钟，收集上清液，经无菌滤器（如 0.22 µm）过滤后，于 4 °C 保存待分析。
  3. 利用生物传感器进行定量
    1. 接种 2’-FL 生物感应细胞培养物，在对数中期加入相当于标准曲线所用 2’-FL 浓度估计值的细胞裂解液进行诱导，具体操作参见第 2.2 节。校准应在与待测样品相同的基质（如细胞裂解液）中进行，即在诱导生物感应细胞前，向对照组（非生产菌）过滤后的细胞裂解液中添加不同稀释梯度的 2’-FL。
    2. 使用流式细胞仪检测样品，通过绘制荧光信号与寡糖浓度的关系曲线生成剂量-响应曲线，并将待测样品的响应值与标准品进行比较。

4. 乳糖的选择性去除

注意：生物传感细胞对乳糖敏感，理想情况下，生物传感器应能够选择性地检测人乳寡糖（HMOs），而非乳糖。一种策略包括如3.2节所述对细胞进行洗涤。以下介绍另外三种策略。

  1. 使用市售纯化β-半乳糖苷酶处理
    1. 将冻干的β-半乳糖苷酶溶解于1 mM MgCl2中，配制成1,000（FCC乳糖酶）单位/mL的溶液，或直接使用市售的液态β-半乳糖苷酶。
    2. 为确定所需酶的最适浓度，接种2’-FL生物感应细胞培养物，并在对数中期加入2 g/L乳糖和2.9 g/L 2’-FL进行诱导。
    3. 向100 µL培养物中加入不同量的β-半乳糖苷酶（最多12单位），在37 °C下持续振荡培养过夜。
    4. 按照第2.1节所述方法测定荧光强度，并通过确定实现目标信号衰减所需的最低酶浓度，计算出最适酶单位数。
    5. 向培养24小时的2’-FL生产菌中加入最适单位数的β-半乳糖苷酶，在37 °C下继续孵育过夜。随后按照第3.3节所述方案测定2’-FL滴度。
  2. 使用LacZ+菌株预处理
    1. 启动25 mL的2’-FL生产菌培养物，在对数中期诱导后，于37 °C培养24小时。
    2. 接种一管E. coli BL21 (DE3)于LB培养基中，于37 °C培养至对数中期，然后将50 mL该培养物（按2:1比例）加入上述24小时培养物中。
    3. 在37 °C下孵育3小时。随后按照第3.3节所述方案测定2’-FL滴度。
  3. 乙醇沉淀乳糖
    注：本节内容改编自Matsuki等人的研究12。
    1. 启动25 mL的2’-FL生产菌培养物，在对数中期诱导后，于37 °C培养24小时。
    2. 向培养物中加入两倍体积的100%乙醇，充分振荡混匀，于37 °C孵育4小时。
    3. 将悬浮液在900 × g条件下离心15分钟。收集上清液并在4 °C下静置过夜，使乳糖沉淀析出。
    4. 通过滤纸（11 µm）过滤去除沉淀的乳糖，收集滤液（即含有2’-FL的细胞裂解液），可按照第3.3节方法进行定量分析。

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结果

我们设计了一种针对2’-FL的全细胞生物传感器，可与寡糖的生物技术生产过程联用。该传感器依赖于特定酶解去除末端修饰糖基，生成乳糖，从而激活lac操纵子，驱动乳糖可诱导启动子控制下的报告荧光蛋白表达，其表达量与2’-FL的含量成正比。为验证其连接特异性，同时测试了异构体3-岩藻糖基乳糖（3-FL）。该遗传回路由两部分组成：其一为由组成型启动子驱动的岩藻糖苷酶基因afcA或afcB，该基因克隆至载体上，其上游编码pelB信号肽序列，以促进蛋白向周质空间的转运；其二为荧光报告系统，包含T7启动子驱动的GFP表达元件。第一部分表达载体为pAfcA，第二部分报告系统载体为pET28:GFP。最终构建体被转化至E. coli BL21 (DE3)菌株中，该菌株广泛可得，其基因组中整合有T7 RNA聚合酶，由乳糖响应型pLacUV5启动子调控。图1A展示了该生物传感器工作原理的示意图，便于读者理解。图1B

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讨论

我们提出了一种针对岩藻糖基化人乳寡糖的高通量、连接特异性检测策略。该方法通过基因工程改造大肠杆菌（E. coli），构建全细胞生物传感器，当特定聚糖诱导时，细胞产生荧光信号。本方案还详细描述了如何利用该生物传感器在代谢工程改造的细菌菌株中检测和定量人乳寡糖（HMOs）。

与色谱法/质谱法等替代方法相比，本方案具有高通量和特异性连接分析的优势。其检测限低、动态范围宽，可直接测定人乳寡糖（HMOs）。

本方案中的关键步骤在于制备生产菌株的细胞裂解液。为确保2’-岩藻糖基乳糖（2’-FL）的最高滴度，提供最佳反应条件至关重要。不同批次之间的差异可能源于超声处理参数或诱导时间的不同。在生物传感器的表征过程中应格外谨慎。建议在实验的每一步均设置适当的对照，以确保结果的一致性。

本方案的一个局限性在于其依赖乳糖进行诱导，当乳糖天然存在（如在母乳中）或作为人乳寡糖（HMOs）生物技术生产中的底物时，这会成为瓶颈。我们已通过四种不同的策略解决了这一问题，以降低信号与噪声...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由爱荷华州立大学启动资金资助。F.E. 部分获得了美国国家科学基金会 Trinect 会士项目和 Manley Hoppe 教授职位的支持。T.J.M. 部分获得了 Karen 和 Denny Vaughn 教师会士项目的支持。作者感谢爱荷华州立大学流式细胞术平台和 W.M. Keck 代谢组学研究实验室在荧光和液相色谱-质谱（LC-MS）研究中提供的协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2’-岩藻糖基乳糖 Carbosynth 41263-94-9
3-岩藻糖基乳糖 Carbosynth 41312-47-4
琼脂菲舍尔科技BP9744500
氯化钙二水合物菲舍尔科技C79-500
羧苄青霉素 菲舍尔科技BP26481
右旋葡萄糖（D-葡萄糖），无水菲舍尔科技D16-1
流式细胞仪BDFACSCanto Plus RUO
高效液相色谱仪安捷伦科技1100 Series HPLC system
高效液相色谱柱LunaC18 反相色谱柱
卡那霉素菲舍尔科技11815024
LB 肉汤，Miller 型 菲舍尔科技12-795-027
乳糖菲舍尔科技64044-51-5
M9 最小盐培养基，5 倍浓缩液西格玛-奥德里奇M6030
硫酸镁，无水菲舍尔科技M65-500
质谱仪安捷伦科技Mass Selective Trap SL 检测器
氯化钠西格玛-奥德里奇7647-14-5
磷酸氢二钠西格玛-奥德里奇7558-79-4
磷酸二氢钠西格玛-奥德里奇13472-35-0

参考文献

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