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Elastinähnliche Polypeptide (ELPs) sind Biopolymere, die aus sich wiederholenden (VPGXG)n-Motiven 1,2,3,4,5,6,7,8,9 bestehen. Der Gastrest X in der Pentapeptideinheit kann jede andere Aminosäure als Prolin sein. Variationen in X können verwendet werden, um die Hydrophobie, das thermische Übergangsverhalten und die funktionalen Eigenschaften des ELP-Konstrukts abzustimmen, um modulare biokompatible Materialien zu schaffen, die in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen umfassend erforscht wurden 10,11,12.
Obwohl chemische Synthese zur Herstellung kurzer Peptide verwendet werden kann, ist sie schlecht geeignet für hochmolekulare ELPs oder zur Erhaltung der Funktionalität von Fusionsproteinen13,14. Aus solchen Gründen werden ELPs typischerweise rekombinant in E. coli angegeben, was eine sequenzdefinierte Produktion in großen Mengen ermöglicht. Dieser Ansatz kann jedoch auch Herausforderungen mit sich bringen. Während ihrer Expression in E. coli sammeln sich ELPs häufig in dichten Inklusionskörpern an, was effiziente Wiederherstellungsstrategien zur Gewinnung des funktionellen Proteins 15 erfordert. Darüber hinaus führt die bakterielle Expression unerwünschte Biomoleküle wie Wirtszellproteine, Nukleinsäuren und Lipopolysaccharide (Endotoxine) ein, die während der Reinigung vom ELP getrennt werden müssen. Traditionelle Solubilisierungsstrategien mit Reinigungsmitteln (z. B. Natriumdodecylsulfat (SDS) oder Triton X-100) oder chaotropen Mitteln wie Harnstoff hatten für unsere ELP-Fusionssequenzen nur begrenzten Erfolg. Nach unserer Erfahrung gelang es Triton und Harnstoff nicht, ELPs aus der Pelletphase zu extrahieren, während SDS eine teilweise Solubilisation ermöglichte, aber die nachgelagerte Affinitätsreinigung beeinträchtigte und schwer vollständig aus der hydrophoben ELP-Sequenz zu entfernen war.
Bis heute bleibt das inverse Übergangszyklus (ITC) die am weitesten verbreitete Reinigungsmethode für ELPs. Diese Technik nutzt ihr LCST-Verhalten, um das ELP selektiv über Temperatur- und Salzgradientenhinweg auszufällen und wieder aufzulösen. Bei Proteinen mit niedrigerem Molekulargewicht ist ITC jedoch ein zeitaufwändiger mehrstufiger Prozess, der für ELPs, die in Inklusionskörpern gefangen sind, schlecht geeignet ist und mehrere ITC-Zyklen erfordert, die bei jedemSchritt 7,16 zu einem Proteinverlust führen können.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben wir einen organischen, lösungsmittelbasierten Extraktions- und Niederschlagsworkflow eingeführt. Während Yakhnin et al. erstmals 1998 eine hydrophobizgetriebene Partitionierungsstrategie für die GFP-Reinigung mit Ethanol- und Salzgradienten demonstrierten, verwendet die von uns entwickelte neuartige Methode organische Lösungsmittelmischungen, um ELP-Fusionsproteine direkt aus E. coli-Zellen 7 zu extrahieren. Sweet et al. und Darji et al. passten diesen Ansatz an ELP-Fusionen an und zeigten, dass die organische Lösungsmittelextraktion eine schnelle Rückgewinnung funktioneller ELPs ermöglicht, während strukturelle Integrität und Bioaktivitäterhalten bleiben 8,9. Dieser Ansatz verwendet Sonikation und organische Lösungsmittel, um Bakterienzellen zu lysieren und ELPs in einer einzigen Operation zu extrahieren, wobei die meisten Wirtsproteine und Nukleinsäuren ausgefällt werden. Die Rückgewinnung der ELP-reichen organischen Phase, gefolgt von schneller Ausfällung zur Isolierung der ELPs aus Lösungsmitteln und löslichen Verunreinigungen, ergibt hochreine ELPs. Dieser Ansatz kann auch reines ELP aus E. coli-Pellets mit Endotoxinwerten unter 1 EU/mL in weniger als drei Stunden 7,8 liefern.
Bisherige Studien zeigen, dass diese Methode in der Lage ist, ELP-Konstrukte und ELP-Fusionsproteine mit unterschiedlichem Molekulargewicht und isoelektrischem Punkt zu reinigen, ohne mehrere ITC-Zyklen oder Lösungsschritte (Abbildung 1). Die Atomkraftmikroskopie (AFM) und die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) deuten darauf hin, dass auf diese Weise gereinigte ELP-Fusionsproteine umgekehrte Micelle-ähnliche Strukturen bilden (Abbildung 2), wodurch die Struktur und Funktion der ELP-Fusionsdomänen während der Extraktion organischer Lösungsmittel erhalten bleiben. Dieser optimierte Arbeitsablauf ermöglicht eine schnellere und zuverlässigere ELP-Reinigung für vielfältige biomedizinische Anwendungen 7,8. Bemerkenswert ist, dass Aayush et al. berichteten, dass ELP-Konstrukte, die mit dieser Methode gereinigt wurden, die epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor-Bindungsfunktion18 behalten, was unterstreicht, dass diese Methode nicht nur reines ELP-Material erzeugt, sondern auch die Aktivität der Fusionsproteindomäne aufrechterhält.
Als weitere Demonstration des Nutzens dieser Methode zur Isolierung einer ELP-Enzym-Fusion beschreiben wir eine detaillierte organische, lösungsmittelbasierte Methode zur Reinigung eines ELP-Intein-Chorismat-Mutase-2 (ELP-I-Cm2)-Konstrukts (Abbildung 3). Diese Methode kann für die schnelle Reinigung anderer ELPs für die Arzneimittelabgabe und Nanomaterialanwendungen nützlich sein.