在本研究中,我们报道了一种基于杂合β-内酰胺酶技术的电导型生物传感器新方法,用于研究蛋白质-蛋白质相互作用。该方法依赖于β-内酰胺水解过程中质子的释放。
方法文章
* These authors contributed equally
在本研究中,我们报道了一种基于杂合β-内酰胺酶技术的电导型生物传感器新方法,用于研究蛋白质-蛋白质相互作用。该方法依赖于β-内酰胺水解过程中质子的释放。
生物传感器正变得越来越重要,并已广泛应用于病原体检测、分子诊断、环境监测和食品安全控制等多个领域。在本研究中,我们利用β-内酰胺酶作为高效的报告酶,开展了多项蛋白质-蛋白质相互作用研究。此外,这类酶能够接受肽段或结构化蛋白质/结构域的插入,这极大地促进了其在构建嵌合蛋白中的应用。在最近的一项研究中,我们将一个单结构域抗体片段插入到Bacillus licheniformis BlaP β-内酰胺酶中。这些小型结构域也被称为纳米抗体,定义为骆驼科动物来源的单链抗体的抗原结合结构域。与常见的双链抗体类似,它们对其靶标具有高亲和力和高特异性。所获得的嵌合蛋白在保持β-内酰胺酶活性的同时,对其靶标表现出高亲和力,表明纳米抗体和β-内酰胺酶两个部分均保持功能完整。在本研究中,我们报道了一种详细的实验方案,将我们的杂合β-内酰胺酶系统与生物传感器技术相结合。通过检测酶催化活性所释放的质子引起的电导率变化,可实现对纳米抗体与其靶标特异性结合的检测。
生物传感器是一类分析装置,它将生物分子相互作用与被称为换能器的物理或化学信号装置相结合1。所记录的信号可被解读并转换,用于监测固定化分子与游离分子之间的相互作用。大多数生物传感器使用抗体来检测分析物,例如激素或不同病原体标志物2。可采用多种传感器形式,包括基于质量、磁性、光学或电化学的生物传感器。其中,电化学生物传感器是使用最广泛的传感器之一,其功能是将结合事件转化为电信号。所有基于抗体的生物传感器的性能和灵敏度主要取决于两个关键参数:i)抗体的质量;ii)用于产生信号的系统的特性2。
抗体是高分子质量的二聚体蛋白(150–160 kDa),由两条重链和两条轻链组成。轻链与重链之间的相互作用主要通过疏水相互作用以及一个保守的二硫键来稳定。每条链均包含一个可变区,该区主要通过三个称为互补决定区(CDR1-2-3)的高变区与抗原相互作用。尽管该领域已取得诸多进展,但在低成本表达系统中大规模表达全长抗体仍面临挑战。例如, E. coli)常常导致不稳定且易聚集的蛋白质产生。因此,人们已设计出多种抗体片段,例如单链可变区片段3 (ScFvs ≈ 25 kDa)。它们由一条重链和一条轻链的可变区组成,通过一段合成的氨基酸序列共价连接。然而,由于这些片段会将其疏水区域的较大部分暴露于溶剂中,因此往往稳定性较差,并具有聚集倾向。4在此背景下,单链骆驼科抗体片段(称为纳米抗体或VHHs)似乎是ScFvs的理想替代物。这些结构域对应于骆驼科单链抗体的可变区。与传统抗体不同,骆驼科抗体不含轻链,仅包含两条重链。5因此,纳米抗体是能够以与传统抗体相似的亲和力结合抗原的最小单体抗体片段(12 kDa)。6此外,与其它全长抗体或抗体片段相比,它们具有更高的稳定性和溶解性。最后,由于其分子尺寸较小且互补决定区3(CDR3)环较长,能够识别隐蔽的表位并结合酶的活性位点。7,8如今,这些领域正受到广泛关注,并已被整合到生物传感器技术中。例如,Huang 等开发了一种基于纳米抗体的生物传感器,用于检测和定量人前列腺特异性抗原(PSA)9.
如上所述,生物传感器检测中的一个重要参数是用于产生电信号的系统的效率。因此,基于酶的电化学生物传感器受到越来越多的关注,并已广泛应用于医疗保健、食品安全和环境监测等多个领域。这类生物传感器依赖于酶对底物的催化水解反应来产生电信号。在此背景下,已有研究表明,与碱性磷酸酶或辣根过氧化物酶等其他多种酶相比,β-内酰胺酶具有更高的特异性、更高的灵敏度以及更简便的实验操作性10。β-内酰胺酶是一类能够通过水解作用使细菌对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的酶。这类酶通常为单体结构,具有高度稳定性、高效性且分子量较小。此外,将功能结构域或多肽插入到β-内酰胺酶中可形成双功能嵌合蛋白,已被证明是研究蛋白质-配体相互作用的有效工具。事实上,近期研究显示,将抗体可变区片段插入TEM1 β-内酰胺酶后,所获得的嵌合蛋白仍能以高亲和力结合其靶抗原。有趣的是,抗原的结合被证实可诱导TEM1催化活性的变构调控11,12。此外,我们在多项研究中表明,将蛋白质结构域插入Bacillus licheniformis BlaP β-内酰胺酶的允许性环区,可生成功能性的嵌合蛋白,非常适合用于监测蛋白质-配体相互作用13,14。我们最近将一种名为cAb-Lys3的纳米抗体插入BlaP的这一允许性插入位点15。该纳米抗体被证实可结合鸡蛋清溶菌酶(HEWL)并抑制其酶活性16。我们发现,所构建的嵌合蛋白BlaP-cAb-Lys3对HEWL仍保持高特异性和高亲和力,同时其β-内酰胺酶活性未受影响。随后,我们将这种嵌合β-内酰胺酶技术与电化学生物传感器成功结合,证明所产生的电信号强度依赖于固定在电极上的BlaP-cAb-Lys3与HEWL之间的相互作用。事实上,BlaP对β-内酰胺类抗生素的水解会释放质子,该过程可被转化为定量的电信号。将嵌合β-内酰胺酶技术与电化学生物传感器相结合的方法具有快速、灵敏、定量以及可实时检测信号的优点。本文详细描述了该方法学。
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1. 蛋白质样品制备
2. 生物传感器检测
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BlaP-cAb-Lys3 嵌合蛋白的设计与构建
图1展示了将cAb-Lys3插入来自解淀粉芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)的A类β-内酰胺酶BalP的一个容许性环区。该插入位于Asp198和Lys199残基之间。在cAb-Lys3的两侧各引入了一个凝血酶切割位点。携带组成型表达质粒(编码BlaP-cAb-Lys3嵌合蛋白)的细胞能够在低浓度氨苄青霉素存在下生长。该结果表明,这种嵌合β-内酰胺酶具有可溶性,正确折叠,并能成功分泌至细菌的周质空间,在其中有效提供对氨苄青霉素的抗性。我们进一步分析了该嵌合蛋白的双功能特性。如我们先前研究所述,实验数据表明,嵌合蛋白中的β-内酰胺酶部分以及cAb-Lys3部分均保留了各自的生物学活性15。
电导型生物传感器检测<...
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在本研究中,我们介绍了一种利用 BlaP β-内酰胺酶作为载体蛋白对纳米抗体进行功能化的方法,并证明了可成功将所获得的杂合蛋白应用于电位传感器检测。与其它生物传感器检测方法相比,本工作的主要创新之处在于抗体部分与产生电信号的酶活性之间实现了共价偶联。这种所谓的蛋白质插入技术具有若干优势与局限性,将是本节讨论的重点。
杂合β-内酰胺酶技术的优势。
β-内酰胺酶是高效的酶
影响生物传感器灵敏度和信噪比的最重要参数之一,是用于产生信号的酶活性。在此背景下,β-内酰胺酶具有多项优势:它们分子量小(≈29 kDa)、为单体结构、非常稳定,更重要的是,与其他用于电位型传感器检测的酶(如葡萄糖氧化酶、脲酶、脂肪酶、过氧化物酶或碱性磷酸酶)相比,具有更高的比活性和更高的催化转换速率20。基于上述所有原因,β-内酰胺酶是多种生物传感器检测中的首选酶类。
直接插入到 ββ-内酰胺酶可提高插入蛋白/结构域...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢比利时瓦隆大区在SENSOTEM和NANOTIC研究项目框架内的资助,以及国家科学基金(F.R.S.-F.N.R.S)提供的财政支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | V000225 | |
| K2HPO4 | Sigma-Aldrich | 1551128 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| Tris–HCl | Roche | 10812846001 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | NIST2186II | |
| 2-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M6250 | |
| 丙氨酸 | Sigma-Aldrich | A7627 | |
| HClO4 | Fluka | 34288 | 1 M HClO4 溶液,经销商:Sigma-Aldrich |
| 酪蛋白水解物 | Sigma-Aldrich | 22090 | |
| 青霉素钠 | Sigma-Aldrich | B0900000 | |
| 鸡蛋清溶菌酶 | Roche | 10837059001 | |
| 庚烷 | Sigma-Aldrich | 246654 | |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 322415 | |
| 氨水溶液 | Sigma-Aldrich | 380539 | 28% NH3 in H2O,经双重蒸馏纯化(浓?) |
| 实验室耗材 | |||
| 6 孔板 | Greiner Bio-One | 657165 | CELLSTAR 6 孔板 |
| 设备 | |||
| pH 计 | WTW | 1AA110 | Lab pH 计 inoLab pH 7110 |
| 真空过滤系统 | Nalgene | NALG300-4100 | 带接收瓶的滤器,经销商:VWR |
| 电位传感器芯片 | 由 Yunus 及同事制备(参考文献 16) | ||
| PGSTAT30 Autolab | Metrohm Autolab | 已停产,后继型号为 Autolab PGSTAT302N | |
| 数字万用表,METRAHit 22M | Gossen Metrawatt | 已停产,后继型号为 Metrahit Base |
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