利用瞬时表达系统,以烟草植物生产了一种真菌纤维素酶 TrCel5A。可通过荧光融合蛋白监测其表达,并在表达后对蛋白活性进行表征。
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利用瞬时表达系统,以烟草植物生产了一种真菌纤维素酶 TrCel5A。可通过荧光融合蛋白监测其表达,并在表达后对蛋白活性进行表征。
纤维素降解酶(纤维素酶)是科研与工业领域共同关注的目标。由于这类酶大多存在于难以培养的生物体中,例如形成菌丝的真菌和厌氧细菌,因此推动了重组技术在该领域的应用。植物表达系统是大规模生产酶及其他具有工业价值蛋白质的理想体系。本文展示了在烟草( Nicotiana tabacum )中瞬时表达丝状真菌 Trichoderma reesei Cel5A内切葡聚糖酶的方法。通过mCherry-酶融合蛋白的荧光检测,证实了蛋白质的成功表达。此外,还采用一系列基础实验检测瞬时表达的 T. reesei Cel5A酶活性,包括SDS-PAGE、Western印迹、酶谱分析,以及 基于荧光和染料标记底物的降解活性检测。本文所述系统可在短时间内获得具有活性的纤维素酶,从而评估其通过组成型或诱导型表达系统在植物中进一步规模化生产的潜力。
木质纤维素生物质的降解及其转化为液体燃料被视为减少对化石燃料依赖的一种方法。建立经济可行的生物质处理系统面临的一个重要障碍是纤维素和半纤维素的酶解降解1。植物表达系统在工业规模酶的生产方面展现出巨大潜力。用于经济、大规模收获植物的农业系统早已建立,并已有数千年历史。在植物中生产纤维素酶具有诸多优势,例如易于实现自水解2,以及通过提高植物细胞壁的可消化性,最大限度地利用较低水平的酶1。最后,植物系统能够将重组蛋白靶向至植物细胞的特定区域,并在需要时对酶进行翻译后修饰3。
Nicotiana tabacum (烟草)由于其生长迅速和生物量积累快的特点,常被用作植物中异源蛋白表达研究的模式生物4瞬时表达重组蛋白是一种能够在短时间内实现蛋白质生产的实验技术。5,同时保持所选蛋白质的定位灵活性,从而实现翻译后修饰的多样性 即 纤维素酶。这不仅能够实现纤维素酶的生产以用于基础分析,同时也为在植物中进一步开展表达策略奠定了基础。利用这种瞬时表达策略,可从真菌宿主中获得属于糖苷水解酶家族5的内切葡聚糖酶Cel5A。 Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina)6 产生(下文简称 TrCel5A)。TrCel5A 是一种天然糖基化的 42 kDa 蛋白,在水解纤维素链方面具有高活性7.
此处描述的瞬时表达技术基于一种相对常用的系统,即通过浸润植物叶片进行 农杆菌 在合适的表达载体中携带目的基因。以实现对成功转化的快速分析 在植株中 表达,TrCel5A 也可与 mCherry 融合表达为融合蛋白,mCherry 是一种最初来源于 Discosoma sp. 蛋白 DsRed8,C末端融合了六个额外的组氨酸残基(His标签)(TrCel5A-mCherry)。因此,可通过绿色光照射观察mCherry的分布,从而在植株生长过程中监测异源融合蛋白TrCel5A-mCherry的表达。如有需要,可对植物材料进行切片,并在显微镜下用绿色光观察,以确定该蛋白的特异性定位。本研究中,载体构建时包含了信号肽和转运肽序列,以引导异源蛋白向内质网的定向转运与分泌9.
为了分析植物表达的纤维素酶(包括 TrCel5A)的活性,可进行多种纤维素酶活性检测。在提取植物总可溶性蛋白后,可采用热孵育技术对 TrCel5A 进行部分纯化。通过 SDS-PAGE 并结合 Western 印迹法确定蛋白质的分子量。可利用酶谱法分析其对底物的酶活性。 例如 经过羧甲基化处理的纤维素(生成羧甲基纤维素:CMC),以提高其溶解性10纤维素酶和葡萄糖苷酶活性可通过与β-D-纤维二糖苷结合的荧光物质4-甲基伞形酮(4-MU)进行检测(二者合称4-MUC)。另一种评估内切葡聚糖酶活性的方法涉及对羧甲基纤维素(CMC)进行分光光度分析。 与偶氮染料(Remazol Brilliant Blue R)相连11此外,可通过糖分析检测方法(如 p对羟基苯甲酸酰肼(PAHBAH)测定12这些技术可用于阐明和定量分析目标表达纤维素酶的活性。
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1. 野生型N. tabacum 植株的培养
2. TrCel5A 和 TrCel5A-mCherry 蛋白的瞬时表达
3. 植物叶片中 TrCel5A-mCherry 表达的评估
4. 从烟草叶片中提取 TrCel5A
5. TrCel5A-mCherry 的 SDS-PAGE、Western 印迹及 Azo-CMC 酶谱分析
6. TrCel5A 的 4-MUC 活性测定
7. TrCel5A 的偶氮-羧甲基纤维素活性测定
8. TrCel5A 的 PAHBAH 测定
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利用瞬时表达系统,TrCel5A 和 TrCel5A-mCherry 在烟草植株中成功表达(图1A 和 图1B)。对 TrCel5A-mCherry 融合蛋白表达模式的观察显示,健康叶片中蛋白表达广泛(图1C),在绿光下可见明显的荧光信号(图1D)。
从表达瞬时TrCel5A蛋白的烟草植株叶片中提取总可溶性蛋白,SDS-PAGE结果显示存在多种蛋白(图2A,第1道)。将表达TrCel5A植株的总可溶性蛋白样品与来自NTEPs的总可溶性蛋白样品分别在55 °C下孵育10分钟。TrCel5A在55 °C时仍保持稳定且具有活性,而许多其他(天然烟草)蛋白在此温度下不稳定。因此,该处理使许多非必需蛋白发生沉淀,从而获得部分纯化的TrCel5A样品。经过这一热沉淀步骤后,在约40 kDa处观察到一条明显的蛋白条带(图2A,第1道)。该条带很可能是TrCel5A的催化结构域(CD),此前已有研...
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由于人们希望开发出更高效的生物燃料生产系统,纤维素酶的重组表达成为一个备受关注的研究领域1。植物为成功生产纤维素酶提供了多种可能性,其具备经济的收获技术和自水解方法等特性,非常适合大规模生物燃料生产。此外,利用不同的蛋白质定位策略可在需要时实现翻译后修饰20。虽然通过改造植物实现纤维素酶的组成型表达具有明显优势,但该方法耗时较长,且成功率不确定。诸如蛋白质区隔化和诱导型表达等技术可提高在植物中成功生产纤维素酶的可能性,但这些方法仍需数月时间才能建立。本文展示了瞬时表达方法,以说明在数天之内即可利用植物系统生产特定纤维素酶的潜力。
此处使用与荧光蛋白 mCherry 的融合来验证瞬时蛋白表达方法的成功。TrCel5A-mCherry 明显分布于已浸润含载体的绝大多数叶片中 农杆菌. 定位于内质网可实现表达蛋白的翻译后修饰。表达系统能否实现这一能力 例如 糖基化对于这些纤维素酶尤为重要 最初来源于真菌类生物体,例如 T. ...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由德国联邦教育与研究部(BMBF)研究倡议项目“生物能源2021——生物质利用研究”以及“来自生物质的定制燃料”卓越集群资助,后者通过德国联邦和州政府的卓越计划资助,旨在促进德国大学的科学研究。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-甲基伞形基 β-D-纤维二糖苷 | SIGMA-ALDRICH | M6018 | |
| 乙酸 | ROTH | 3738 | |
| 乙酰丁香酮(浓缩液) | ROTH | 6003 | |
| 抗生素 - 卡那霉素 | ROTH | T832 | |
| 抗生素 - 利福平 | ROTH | 4163 | |
| 抗生素 - 羧苄西林 | ROTH | 6344 | |
| 抗体 - 兔抗 His(6) 多克隆抗体 | ROCKLAND | 600-401-382 | |
| 抗体 - 山羊抗兔碱性磷酸酶,FC多克隆抗体 | DIANOVA | 111-055-008 | |
| 偶氮-羧甲基纤维素 | MEGAZYME | S-ACMC | |
| β-环糊精 | SIGMA-ALDRICH | C4805 | |
| 二水合氯化钙 | SIGMA-ALDRICH | C5080 | |
| 羧甲基纤维素 | ROTH | 3333.1 | |
| 来自的纤维素酶 Trichoderma reesei ATCC 26921 | SIGMA-ALDRICH | C2730 | |
| 刚果红 | SIGMA-ALDRICH | 75768 | |
| 考马斯亮蓝 G 250 | ROTH | 9598.2 | |
| D(+)-葡萄糖 | ROTH | 8337 | |
| 乙醇 | ROTH | K928 | |
| 滤纸 - Rotilabo 印迹纸 | ROTH | CL67 | |
| NBT/BCIP | SIGMA-ALDRICH | 72091 | |
| MES缓冲液 | ROTH | 4256 | |
| 甲醇 | ROTH | 8388 | |
| 柠檬酸钠 | ROTH | 3580 | |
| 十二烷基硫酸钠 | SERVA | 20765 | |
| 氢氧化钠 | ROTH | 6771 | |
| 土壤,Einheitserde classic | PATZER GMBH | ||
| 光谱仪 - Infinite M200 | TECAN | ||
| 蔗糖 | SIGMA-ALDRICH | S-5390 | |
| 4-羟基苯甲酰肼 | SIGMA-ALDRICH | H9882 | |
| 磷酸盐缓冲液 | ROTH | 1058 | |
| 紫外光源 - BLAK RAY | UVP | ||
| 振动切片机 - VT1000S | Leica |
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