本文介绍了能够生长的基于多肽的小单层囊泡的制备方案。为促进 在体外 这些囊泡配备了转录-翻译系统和编码该肽的质粒,用于膜肽的合成。
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本文介绍了能够生长的基于多肽的小单层囊泡的制备方案。为促进 在体外 这些囊泡配备了转录-翻译系统和编码该肽的质粒,用于膜肽的合成。
生化反应的区室化是合成细胞的核心特征之一。为此,基于肽的反应区室可作为脂质体或脂肪酸囊泡的一种理想替代方案。肽可在囊泡外部或内部轻松表达,并简化膜前体的合成。本文提供了一种利用玻璃珠脱水-再水化法制备直径约200 nm的囊泡的方案,该囊泡基于两亲性弹性蛋白样多肽(ELP)。同时提供了通过逆向温度循环实现细菌中ELP表达与纯化的方案,以及将其与荧光染料进行共价功能化的方案。此外,本报告还描述了一种在ELP囊泡内转录RNA适配体dBroccoli的方案,作为生化反应的简化示例。最后,提供了一种可在囊泡内(in vesiculo)表达荧光蛋白和膜肽的方案,其中后者的合成可导致囊泡生长。
合成生命细胞系统的研究通常从两个不同方向展开。在自上而下的方法中,细菌的基因组被逐步削减至其必需组分,最终形成最小细胞。而在自下而上的方法中,人工细胞则从分子组分或细胞亚系统从头组装,这些组分需要被功能整合为一个协调一致的类细胞系统。
在从头合成方法中,通常使用由磷脂或脂肪酸构成的膜来实现必要生化组分的区室化1,2,3,4。这是因为"现代"细胞膜主要由磷脂组成,而脂肪酸则被认为是前生命时期膜结构的合理候选物质5,6。为了形成新的膜或促进膜的生长,两亲性结构单元必须从外部提供7,或者理想情况下通过膜包被区室内部相应的合成代谢过程在内部生成4,8。
尽管脂质合成是一个相对复杂的代谢过程,但利用无细胞基因表达反应可以较为容易地合成多肽9,10。因此,由两亲性多肽形成的多肽膜作为能够生长的人工细胞模拟体系的包封结构,为脂质膜提供了一种有趣的替代方案11。
两亲性弹性蛋白样二嵌段共聚肽(ELPs)是一类具有吸引力的多肽,可作为此类膜的构建单元12。ELPs的基本氨基酸序列模体为(GaGVP)n,其中“a”可以是除脯氨酸外的任何氨基酸,“n”为模体重复次数13,14,15,16,17。已设计出包含主要以苯丙氨酸为“a”的疏水嵌段和主要由谷氨酸组成的亲水嵌段的ELPs11。根据“a”以及溶液参数(如pH和盐浓度)的不同,ELPs在温度Tt处表现出所谓的逆向温度相变特性,即多肽可逆地从亲水状态转变为疏水状态。这些多肽的合成可利用“TX-TL”细菌细胞提取物在囊泡内便捷地实现11,18,19,20,21,该体系提供了偶联转录与翻译反应所需的全部组分。
利用玻璃珠作为固体载体,通过脱水-再水化法将编码ELP的DNA模板与TX-TL系统共同封装进ELP囊泡中。囊泡的形成是通过从珠体表面重新水化干燥的多肽实现的11。也可采用其他囊泡制备方法22,这些方法可能具有更低的多分散性并产生更大的囊泡(例如电形成法、乳液相转移法或基于微流控的方法)。为验证封装方法的有效性,可选择性地使用荧光原核酸适体dBroccoli23的转录作为检测手段11,该方法相较于利用TX-TL系统进行基因表达更为简单。
由于膜结构单元在囊泡内表达并随后整合到膜中,囊泡开始生长11。可通过FRET实验验证ELP整合入膜的过程。具体而言,用于形成初始囊泡群体的ELP以相等比例共价连接一对可产生FRET效应的荧光染料。当在囊泡内表达未标记的ELP并将其整合入膜后,膜中标记的ELP被稀释,从而导致FRET信号减弱11。铜催化的叠氮-炔烃环加成反应是一种通用且常用的方法,可用于实现上述共价连接。通过使用三(苄基三唑基甲基)胺等稳定配体,该反应可在生理pH的水溶液中进行,且不会导致反应物发生水解11,因此适用于涉及多肽的共轭反应。
以下方案详细描述了基于弹性蛋白样多肽(ELP)的肽囊泡的制备方法。介绍了多肽的表达以及利用玻璃珠法制备囊泡的过程。此外,还阐述了如何在ELP囊泡内部实现荧光原性dBroccoli适体的转录,以及进行转录-翻译反应以表达蛋白质。最后,提供了一种将ELP与荧光染料进行共轭连接的方法,可用于通过FRET实验验证囊泡的生长过程11。
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1. 弹性蛋白样多肽的表达
2. 使用玻璃珠法制备囊泡
3. 囊泡内RNA适体dBroccoli的转录
4. 转录-翻译(TX-TL)反应
注意:对于转录-翻译反应,需要粗制细胞提取物、反应缓冲液和DNA。粗制细胞提取物的制备方法如Sun等18所述。进行TX-TL反应时,使用以下组分:33%(v/v)的粗制E. coli提取物、42%(v/v)反应缓冲液,以及25%(v/v)经苯酚-氯仿纯化的DNA和添加剂。最终浓度约为9 mg/mL蛋白质、50 mM HEPES(pH = 8)、1.5 mM ATP、1.5 mM GTP、0.9 mM CTP、0.9 mM UTP、0.2 mg/mL tRNA、26 mM辅酶A、0.33 mM NAD、0.75 mM cAMP、68 mM亚叶酸、1 mM亚精胺、30 mM磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)、1 mM DTT、2% PEG-8000、13.3 mM麦芽糖、1 U T7 RNA聚合酶,以及超纯水中的50 nM质粒DNA。
5. 通过铜催化叠氮-炔烃胡伊斯根环加成反应将弹性蛋白样多肽与荧光染料偶联
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囊泡制备
图1展示了使用不同溶胀溶液及玻璃珠法制备的囊泡的透射电子显微镜(TEM)图像(另见Vogele等人的研究11)。在图1A的样品中,仅使用PBS作为溶胀溶液,以验证囊泡的形成并测定其尺寸。当使用TX-TL作为溶胀溶液时(图1B),同样形成了囊泡。通过动态光散射(DLS)测量,验证了玻璃珠法对囊泡形成的影响。图2展示了在PBS中未使用玻璃珠制备的EF样品(蓝色)以及使用玻璃珠法并以PBS作为溶胀溶液制备的EF样品(红色)的实测强度自相关曲线。根据累积量拟合25计算出的尺寸显示,未使用玻璃珠法制备的囊泡直径为134 nm,多分散性为25%;而使用玻璃珠时,累积量拟合结果为直径168 nm,多分散性为21%。
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薄膜水化是制备小单层囊泡的常用方法。实验失败的主要原因是操作过程中对所用材料的处理不当。
最初,ELP 由大肠杆菌(E. coli)细胞表达产生。ELP 纯化后的得率在很大程度上取决于关键步骤中实验操作的严谨程度,这些关键步骤包括逆向温度循环(ITC)以及 ELP 沉淀后的重悬过程。在纯化过程中,我们通过添加磷酸诱导肽链发生疏水塌陷,使溶液 pH 变为酸性,从而导致亲水区段中谷氨酸侧链的质子化。经过此步骤后,在室温下两个区段均呈现疏水性。建议使用其盐形式已存在于溶液中的酸,以保持离子强度恒定,但也可使用盐酸等其他酸。为了提高 ELP 的产率,可额外添加盐以增强共凝聚过程,因为盐能够降低相变温度 Tt,使 ELP 更加疏水。通常使用氯化钠,但 kosmotropic 盐(如硫酸钠)效果更佳,且盐浓度可接近其溶解度极限。此外,使用水浴进行额外加热可进一步提高产率。
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作者声明不存在竞争性财务利益。
我们衷心感谢德国研究基金会(DFG TRR 235,生命起源项目P15)、欧洲研究理事会(资助协议号694410 AEDNA)以及慕尼黑工业大学国际科学与工程研究生院(IGSSE,项目号9.05)提供的经费支持。感谢E. Falgenhauer在样品制备方面的帮助。感谢A. Dupin和M. Schwarz-Schilling在TX-TL系统方面的协助以及有益的讨论。感谢N. B. Holland参与的有益讨论。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2xYT | MP生物医学 | 3012-032 | |
| 3-磷酸甘油酸(3-PGA) | Sigma-Aldrich | P8877 | |
| 5PRIME Phase Lock Gel™ 管 | VWR | 733-2478 | |
| 碱性偶联Cy3 | Sigma-Aldrich | 777331 | |
| 碱性偶联Cy5 | Sigma-Aldrich | 777358 | |
| ATP | Sigma-Aldrich | A8937 | |
| 苯甲脒(Benzamidin) | Carl Roth | CN38.2 | |
| BL21 Rosetta 2 E. coli 菌株 | Novagen | 71402 | |
| Bradford BSA蛋白检测试剂盒 | Bio-rad | 500-0201 | |
| cAMP | Sigma-Aldrich | A9501 | |
| 羧苄青霉素(Carbenicillin) | Carl Roth | 6344.2 | |
| 氯霉素(Chloramphenicol) | Sigma-Aldrich | C1919 | |
| 氯霉素(Chloramphenicol) | Carl Roth | 3886.3 | |
| 氯仿(Chloroform) | Carl Roth | 4432.1 | |
| 辅酶A(CoA) | Sigma-Aldrich | C4282 | |
| CTP | USB | 14121 | |
| CuSO4 | Carl Roth | P024.1 | |
| DFHBI | Lucerna Technologies | 410 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Carl Roth | A994.1 | |
| DNase I | NEB | M0303S | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| 乙醇(Ethanol) | Carl Roth | 9065.2 | |
| 亚叶酸(Folinic acid) | Sigma-Aldrich | F7878 | |
| 玻璃珠,酸洗 | Sigma-Aldrich | G1277 | |
| GTP | USB | 16800 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H6147 | |
| IPTG(β-异丙基硫代半乳糖苷) | Sigma-Aldrich | I6758 | |
| KCl | Carl Roth | P017.1 | |
| K-谷氨酸盐(K-glutamate) | Sigma-Aldrich | G1149 | |
| LB肉汤 | Carl Roth | X968.2 | |
| 溶菌酶(Lysozyme) | Sigma-Aldrich | L6876 | |
| 甲醇(Methanol) | Carl Roth | 82.2 | |
| MgCl2 | Carl Roth | KK36.3 | |
| Mg-谷氨酸盐(Mg-glutamate) | Sigma-Aldrich | 49605 | |
| 微型Bio-Spin层析柱 | Bio-Rad | 732-6204 | |
| NAD | Sigma-Aldrich | N6522 | |
| NHS-叠氮化物连接剂(y-叠氮丁酸羟基琥珀酰亚胺酯) | Baseclick | BCL-033-5 | |
| PEG-8000 | Carl Roth | 263.2 | |
| pH试纸 | Carl Roth | 549.2 | |
| 苯甲基磺酰氟(Phenylmethylsulfonyl fluoride) | Carl Roth | 6367.2 | |
| 磷酸盐缓冲液(Phosphate-buffered saline) | VWR | 76180-684 | |
| 磷酸(Phosphoric acid) | Sigma-Aldrich | W290017 | |
| 聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine) | Sigma-Aldrich | 408727 | |
| 磷酸氢二钾溶液(Potassium phosphate dibasic solution) | Sigma-Aldrich | P8584 | |
| 磷酸二氢钾溶液(Potassium phosphate monobasic solution) | Sigma-Aldrich | P8709 | |
| Qiagen质粒小提试剂盒 | Qiagen | 27106 | |
| RNAPol反应缓冲液 | NEB | B9012 | |
| 小鼠RNase抑制剂(RNase inhibitor murine) | NEB | M0314S | |
| RNaseZap擦拭纸 | ThermoFisher | AM9788 | |
| 核糖核苷三磷酸混合物(rNTP) | NEB | N0466S | |
| Roti-苯酚/氯仿/异戊醇混合液 | Carlroth | A156.1 | |
| RTS氨基酸样品试剂盒 | 5 Prime | 2401530 | |
| Slide-A-Lyzer透析盒,10k MWCO(套装) | Thermo-Scientific | 66382 | |
| 氯化钠(Sodium chloride) | Carl Roth | 9265.1 | |
| 氢氧化钠(Sodium hydroxide) | Carl Roth | 8655.1 | |
| 亚精胺(Spermidine) | Sigma-Aldrich | 85558 | |
| 无菌过滤(0.22 µm滤膜) | Carl Roth | XH76.1 | |
| T7 RNA聚合酶(T7 polymerase) | NEB | M0251S | |
| TBTA(三(苄基三唑基甲基)胺) | Sigma-Aldrich | 678937 | |
| TCEP(三(2-羧乙基)膦盐酸盐) | Sigma-Aldrich | C4706 | |
| Tris碱(Tris base) | Fischer | BP1521 | |
| tRNA(来自E. coli) | Roche Applied Science | MRE600 | |
| UTP | USB | 23160 |
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