本方案详细说明了在4天或更短时间内制备基于大肠杆菌(E. coli)的细胞提取物并实施体外(in vitro)蛋白质合成反应所需的步骤、成本和设备。为了充分利用该平台的灵活性以适用于广泛的应用,我们讨论了可调整和优化的反应条件。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案详细说明了在4天或更短时间内制备基于大肠杆菌(E. coli)的细胞提取物并实施体外(in vitro)蛋白质合成反应所需的步骤、成本和设备。为了充分利用该平台的灵活性以适用于广泛的应用,我们讨论了可调整和优化的反应条件。
在过去的50年中,无细胞蛋白质合成(CFPS)作为一种强大的技术逐渐兴起,能够在试管中利用细胞的转录和翻译能力。由于无需维持细胞的活性,并且消除了细胞屏障,CFPS已成为生物制造传统上难以表达的蛋白质、快速构建代谢工程原型以及功能基因组学等新兴应用的基础。我们所提供的基于大肠杆菌(E. coli)的CFPS平台实施方法,使新用户能够便捷地开展上述多种应用。本文描述了通过使用富集培养基、带挡板的锥形瓶以及可重复调控的超声波细胞裂解方法来制备细胞提取物的技术流程。该提取物可用于蛋白质表达,在实验开始后仅5小时内即可产生900 µg/mL或更高浓度的超折叠绿色荧光蛋白(sfGFP),前提是相关试剂储备已预先配制完成。获取所需试剂的初始成本约为4,500美元,此后可支持数千次反应,每次反应的蛋白质生产成本约为0.021美元/µg,或0.019美元/µL反应体系。此外,由于对试剂预混液进行了优化,该蛋白质表达方法在操作便捷性上可媲美商业系统,而成本仅为后者的极小部分。为了帮助用户充分发挥CFPS平台的灵活性以适应广泛的应用需求,我们总结了该平台中多个可根据可用资源和目标蛋白表达效果进行调节与优化的关键环节。
无细胞蛋白质合成(CFPS)技术在过去50年中已发展成为一项开创性技术,为蛋白质生产、功能基因组学、代谢工程等领域带来了诸多新机遇1,2与标准相比 在体 蛋白质表达平台中,CFPS 具有三个关键优势:1)该平台的无细胞特性能够实现对细胞可能具有毒性或外源性蛋白的生产3,4,5,6;2)通过失活基因组DNA并引入编码目标基因的模板DNA,可将反应体系中的全部系统能量导向目标蛋白的表达;3)该平台的开放性使用户能够实时调整并监测反应条件与组分7,8这种对反应的直接介入支持在扩展的化学体系和氧化还原条件下增强生物系统,以实现新型蛋白质的合成及代谢过程的调控。2,9,10直接访问还允许用户将CFPS反应与活性检测结合在单一体系中,从而实现更快速的设计-构建-测试循环11在小体积液滴或基于纸张的装置中进行CFPS反应的能力,进一步支持了高通量发现研究和快速原型开发。12,13,14,15,16由于这些优势以及系统的即插即用特性,无细胞蛋白表达系统(CFPS)独特地实现了多种生物技术应用,例如可溶性表达困难蛋白的生产 体内17,18,19,20疾病检测21,22,23按需生物制造18,24,25,26,27以及教育28,29,这些均体现了无细胞平台的灵活性与实用性。
CFPS系统可由多种原核和真核细胞系的粗裂解物制备而成,这为系统的选择提供了多样化的方案,每种方案均根据具体应用需求具有各自的优势与局限性。CFPS系统在制备时间、成本和生产效率方面也存在显著差异。最常用的细胞提取物来源于小麦胚芽、兔网织红细胞、昆虫细胞以及 大肠杆菌 细胞,其中后者迄今为止成本效益最高,且能产生最高的体积产率蛋白质30尽管其他CFPS系统因其固有的翻译后修饰机制而在某些应用中具有优势,但利用这些系统的新兴应用正在不断涌现 E. coli基于此的装置能够通过按需生成位点特异性磷酸化和糖基化的蛋白质,从而弥补这一差距31,32,33,34,35.
CFPS 反应可以采用分批式(batch)、连续交换无细胞(CECF)或连续流动无细胞(CFCF)的形式进行。分批式是一种封闭系统,由于反应物数量逐渐减少以及抑制性副产物的积累,其反应持续时间有限。CECF 和 CFCF 方法可延长反应寿命,从而实现比分批式反应更高的体积蛋白产率。这是通过在反应过程中不断向反应容器补充新的反应物,同时将蛋白质合成的副产物移除而实现的2。在 CFCF 情况下,目标蛋白也可从反应室中移出;而在 CECF 中,目标蛋白保留在由半透膜构成的反应室内36,37。这些方法在克服难表达目标蛋白的低体积产率方面具有重要价值38,39,40,41,42,43。实施 CECF 和 CFCF 方法面临的挑战在于:1)尽管它们能更高效地利用负责转录和翻译的生物系统,但需要显著更多的试剂,从而增加总体成本;2)与分批式相比,它们需要更复杂的反应装置和专用设备44。为了确保新用户能够便捷使用,本文所述方案聚焦于 15 µL 反应体积的分批式反应,并提供了将反应体积扩大至毫升级的具体建议。
本文所述方法可使具备基本实验技能(如本科学生)的非专业人员能够开展细胞培养、提取物制备以及批量反应体系的建立 E. coli基于细胞的无细胞蛋白表达(CFPS)系统。与商业化的试剂盒相比,该方法具有成本效益,同时不牺牲基于试剂盒的反应体系搭建的便捷性。此外,该方法适用于实验室和现场应用。在决定实施CFPS时,新用户应充分评估传统蛋白表达系统在启动投资方面的有效性,因为在某些情况下CFPS未必更具优势。本文所述的CFPS方法可使用户直接开展多种应用,包括功能基因组学、高通量筛选,以及难以通过常规方法表达的蛋白质的生产 在体 表达,以及在生物传感器和合成生物学教育工具包等领域的应用。其他应用如代谢工程、蛋白质表达条件的优化、疾病检测,以及使用CECF或CFCF方法进行放大生产也是可行的,但可能需要具备CFPS平台的操作经验,以进一步调整反应条件。我们的方法结合了在富集培养基和带挡板锥形瓶中的培养,通过超声波破碎实现相对快速且可重复的细胞裂解,随后采用简化的CFPS反应体系,使用经过优化的预混试剂45尽管细胞培养方法在该领域内已趋于标准化,但细胞裂解方法却存在较大差异。除了超声处理外,常用的裂解方法还包括使用弗氏压榨器、均质器、珠磨破碎仪,以及溶菌酶和其他生化与物理破碎方法。46,47,48,49使用我们的方法,每1升细胞可获得约2 mL粗制细胞提取物。该提取物产量可支持四百个15 µL的无细胞蛋白合成(CFPS)反应,每个反应从模板质粒pJL1-sfGFP产生约900 µg/mL的报告蛋白sfGFP。此方法生产的sfGFP成本为0.021美元/µg(反应液成本为0.019美元/µL),未包含人力和设备费用。补充图1)。从零开始,单人可在4天内完成该方法的建立,且可重复的CFPS反应可在数小时内完成(图1)。此外,该方案可根据需要扩大反应体积,以制备更大批次的试剂。重要的是,本方案可由受过基本实验室培训但非专业人员的人员(如本科生)实施,仅需具备基础的实验操作技能。下述操作步骤及配套视频旨在提高该 E. coli 适用于广泛用途的CFPS平台
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1. 培养基制备与细胞培养
2. 粗制细胞提取物制备 - 第4天
3. 无细胞蛋白合成批量反应
4. 报告蛋白 [sfGFP] 的定量
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我们介绍了一种基于超声处理的 E. coli 提取物制备方案,可在四天内完成,图1 展示了每一天的具体操作步骤。各步骤在时间安排上具有一定灵活性,并可在多个节点暂停,但我们发现该工作流程执行起来最为高效。此外,细胞沉淀(步骤1.3.18)和完全制备好的提取物(步骤2.10)在-80 °C下至少可稳定保存一年,用户可制备较大批量的样品以供后续使用17。该提取物不仅长期稳定,还可经历至少五次冻融循环而不会显著降低其活性(图4)。因此,若冰箱存储空间有限,可将提取物分装为较大体积的 aliquot 以供多次使用。然而,我们建议尽可能分装为多个较小体积的 aliquot(约100 μL)。
每次制备新的提取物时,我们建议用户进行镁离子滴定,以确...
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无细胞蛋白质合成已成为一种强大且具有推动作用的技术,适用于从生物制造到生化系统快速原型构建等多种应用。其广泛的应用得益于实时监测、操控和增强细胞机制的能力。尽管该平台技术的影响不断扩大,但由于实验方法在实施过程中存在技术上的细微复杂性,其广泛应用仍进展缓慢。本研究旨在为新实验室建立该技术提供简便性和清晰性。为此,我们提供的基于 E. coli 的无细胞蛋白质合成平台,可由受过基本训练但非专家的实验人员(如本科生)在四天内完成启动(图1)。此外,一旦制备出试剂和提取物的储备液,后续的CFPS批次反应可在仅5小时内完成设置、孵育和定量分析。一次1 L的细胞培养可获得足够进行四百次15 µL CFPS反应的提取物,而其他无细胞试剂的单次批量制备则可支持数千次反应。若需要更大的储备量,试剂制备也可相应放大。CFPS反应可通过使用96孔板或PCR管并行测试多种条件,以高通量方式设置。当使用较小容器时,体积产率会下降,如图2C所示。CFPS反应也可从微升级别放大至数十毫升的总体积,以提高单一条件下的总蛋白产量。在...
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作者声明不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。
作者谨此感谢 Jennifer VanderKelen 博士、Andrea Laubscher 和 Tony Turretto 提供的技术支持,感谢 Wesley Kao、Layne Williams 和 Christopher Hight 提出的有益讨论。作者还感谢比尔和琳达·弗罗斯特基金(Bill and Linda Frost Fund)、应用生物技术中心雪佛龙生物技术应用研究捐赠基金(Center for Applications in Biotechnology's Chevron Biotechnology Applied Research Endowment Grant)、加州理工州立大学研究、学术与创造性活动资助计划(Cal Poly Research, Scholarly, and Creative Activities Grant Program,RSCA 2017)以及美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF-1708919)提供的经费支持。MZL 感谢加州州立大学研究生资助项目(California State University Graduate Grant)。MCJ 感谢美国陆军研究办公室(Army Research Office,W911NF-16-1-0372)、美国国家科学基金会(National Science Foundation,MCB-1413563 和 MCB-1716766)、美国空军研究实验室卓越中心(Air Force Research Laboratory Center of Excellence Grant,FA8650-15-2-5518)、美国国防威胁降低局(Defense Threat Reduction Agency Grant,HDTRA1-15-10052/P00001)、大卫和露西尔·帕卡德基金会(David and Lucile Packard Foundation)、卡米尔·德雷福斯教师学者计划(Camille Dreyfus Teacher-Scholar Program)、美国能源部基础能源研究计划(Department of Energy BER Grant,DE-SC0018249)、人类前沿科学计划(Human Frontiers Science Program,RGP0015/2017)、美国能源部联合基因组研究所 ETOP 资助项目(DOE Joint Genome Institute ETOP Grant)以及芝加哥生物医学联盟(Chicago Biomedical Consortium)在芝加哥社区信托基金会的 Searle 基金支持下提供的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| LB培养基 | ThermoFisher | 12795027 | |
| 胰蛋白胨 | Fisher Bioreagents | 73049-73-7 | |
| 酵母提取物 | Fisher Bioreagents | 1/2/8013 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-1KG | |
| 磷酸氢二钾 | Sigma-Aldrich | 60353-250G | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma-Aldrich | P9791-500G | |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G8270-1KG | |
| KOH | Sigma-Aldrich | P5958-500G | |
| IPTG | Sigma-Aldrich | I6758-1G | |
| Mg(OAc)₂ | Sigma-Aldrich | M5661-250G | |
| K(OAc) | Sigma-Aldrich | P1190-1KG | |
| Tris(OAc) | Sigma-Aldrich | T6066-500G | |
| DTT | ThermoFisher | 15508013 | |
| tRNA | Sigma-Aldrich | 10109541001 | |
| 亚叶酸 | Sigma-Aldrich | F7878-100MG | |
| NTPs | ThermoFisher | R0481 | |
| 草酸 | Sigma-Aldrich | P0963-100G | |
| NAD | Sigma-Aldrich | N8535-15VL | |
| CoA | Sigma-Aldrich | C3144-25MG | |
| PEP | Sigma-Aldrich | 860077-250MG | |
| K(Glu) | Sigma-Aldrich | G1501-500G | |
| NH₄(Glu) | MP Biomedicals | 02180595.1 | |
| Mg(Glu)₂ | Sigma-Aldrich | 49605-250G | |
| 亚精胺 | Sigma-Aldrich | S0266-5G | |
| 腐胺 | Sigma-Aldrich | D13208-25G | |
| HEPES | ThermoFisher | 11344041 | |
| 分子生物学级水 | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| L-天冬氨酸 | Sigma-Aldrich | A7219-100G | |
| L-缬氨酸 | Sigma-Aldrich | V0500-25G | |
| L-色氨酸 | Sigma-Aldrich | T0254-25G | |
| L-苯丙氨酸 | Sigma-Aldrich | P2126-100G | |
| L-异亮氨酸 | Sigma-Aldrich | I2752-25G | |
| L-亮氨酸 | Sigma-Aldrich | L8000-25G | |
| L-半胱氨酸 | Sigma-Aldrich | C7352-25G | |
| L-甲硫氨酸 | Sigma-Aldrich | M9625-25G | |
| L-丙氨酸 | Sigma-Aldrich | A7627-100G | |
| L-精氨酸 | Sigma-Aldrich | A8094-25G | |
| L-天冬酰胺 | Sigma-Aldrich | A0884-25G | |
| 甘氨酸 | Sigma-Aldrich | G7126-100G | |
| L-谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich | G3126-250G | |
| L-组氨酸 | Sigma-Aldrich | H8000-25G | |
| L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | L5501-25G | |
| L-脯氨酸 | Sigma-Aldrich | P0380-100G | |
| L-丝氨酸 | Sigma-Aldrich | S4500-100G | |
| L-苏氨酸 | Sigma-Aldrich | T8625-25G | |
| L-酪氨酸 | Sigma-Aldrich | T3754-100G | |
| Fisherbrand 高级微量离心管:2.0 mL | Fisher Scientific | 05-408-138 | |
| Fisherbrand 高级微量离心管:1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| Fisherbrand 高级微量离心管:0.6 mL | Fisher Scientific | 05-408-120 | |
| PureLink HiPure 质粒提取试剂盒 | ThermoFisher | K210007 | |
| 超声波处理器 | QSonica | Q125-230V/50Hz | 3.175 mm 直径探头 |
| Avanti J-E 离心机 | Beckman Coulter | 369001 | |
| JLA-8.1000 转子 | Beckman Coulter | 366754 | |
| 1L 离心管 | Beckman Coulter | A99028 | |
| Tunair 2.5L 带挡板摇瓶 | Sigma-Aldrich | Z710822 | |
| Microfuge 20 | Beckman Coulter | B30134 | |
| New Brunswick Innova 42/42R 恒温摇床 | Eppendorf | M1335-0000 | |
| Cytation 5 | BioTek | ||
| Strep-Tactin XT 初级试剂盒 | IBA | 2-4998-000 | |
| pJL1-sfGFP | Addgene | 69496 | |
| BL21(DE3) | New England BioLabs |
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