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Este protocolo ha sido optimizado para el tipo salvaje V. natriegens y medios de crecimiento bacteriano de LB suplementado con sales de V2 (Tabla de materiales). Otras cepas de V. natriegens pueden cultivarse de manera similar para generar extractos crudos de la célula sin células reacciones; sin embargo, su uso requiere optimización adicional del presente Protocolo. Además, este sistema de expresión de proteínas libres de células se ha optimizado con 3 bisfosfoglicérico ácido (3-PGA) como la fuente de regeneración de energía primaria. Pueden utilizarse otras fuentes de regeneración de energía; sin embargo, la optimización de reactivos y la calibración probablemente sea necesaria para obtener alto rendimiento proteína expresión10,11.
Atención específica a varios pasos críticos en el presente Protocolo asegurará de extracto de la máxima productividad de alto rendimiento producción de proteínas libres de células. En primer lugar, debe preparar un extracto crudo de la célula de V. natriegens cultivos de células en una fase media exponencial de crecimiento; producción de proteínas es máxima cuando las culturas alcanzan un OD600 = 1,0 ± 0,2. Mientras que la producción de proteínas libres de células es posible de células cosechadas en un rango de densidades ópticas, previamente hemos encontrado que las células cosechadas en un estado exponencial de crecimiento rendimiento significativamente más proteína9. Los efectos observados de densidad óptica en el rendimiento de extracto crudo de la célula son consistentes con los reportados para otros sistemas de expresión libres de células derivadas de las células cultivadas en condiciones de cultura lote1. Porque V. natriegens crece a un ritmo rápido, es fundamental para monitorear de cerca las densidades ópticas de las culturas. En general, se espera que V. natriegens culturas reproducible deben llegar a un OD600 de 1.0 en 1−1.5 h utilizando este protocolo; sin embargo, las condiciones de crecimiento individuales como el uso de desconciertan frente a frascos no desconcertado, que afecta la aireación o aire versus la incubación del agua, que afecta a la velocidad y estabilidad de temperatura de incubación, pueden alterar el tiempo de crecimiento. Además, se recomienda que al menos 250 mL de V. natriegens en un matraz de 1 L desconcertado para asegurar un balín grande de la célula en la cosecha de fácil manipulación y transferencia de la cultura. Esto mejora en gran medida el éxito de la preparación de extracto crudo de la célula así como aumenta el volumen total de extracto producido de un balín. Cuando use preparación de escala más pequeña, los reactivos y condiciones de cultivo pueden ajustarse adecuadamente. Fermentación a gran escala, mayor optimización de las condiciones de cultivo puede requerir. Finalmente, para asegurar una producción alta en proteínas, es fundamental que los gránulos de la célula se procesan inmediatamente después de la cosecha, o dentro de 1−2 días de almacenamiento a-80 ° C.
La lisis apropiada de la pelotilla de la célula por sonicación de pulso es fundamental para el éxito de la expresión de la proteína sin células y suele ser el aspecto más difícil del presente Protocolo para los nuevos usuarios. Por lo general, una pelotilla bien sometidas a lisis producirá un significativo volumen de extracto líquido que esté libre de escombros. El extracto debe ser levemente viscoso pero puede pipetearse fácilmente al tomar en el almacenamiento de los tubos antes flash congelación en nitrógeno líquido. Figura 3 muestra una representación de una pelotilla bien sometidas a lisis (Figura 3A) en comparación con un balín mal sometidas a lisis (figura 3B) tras el paso de post lisis centrifugación. Una indicación importante de lisis celular completa es una célula cruda Extracto de proteína total concentración > 20 mg / mL según lo determinado por un análisis de proteína total (paso 2.13). Sonicación excesiva o calentamiento excesivo del extracto crudo celular daña la maquinaria celular, que no se puede determinar sin tener que realizar una reacción sin células. Por lo tanto, es altamente beneficiosa probar la eficacia del extracto con una reacción de control antes de dedicar mucho tiempo y esfuerzo a las aplicaciones de expresión de proteínas aguas abajo. Optimización adicional puede ser necesario para el equipo de sonicación diferentes, los pasos de sonicación de pulso descritos han sido altamente reproducibles en nuestras manos.
El uso de la plantilla de ADN lineal derivado de amplificación PCR, enzima de la restricción digestión o síntesis gen comercial puede aumentar significativamente la capacidad de producción de proteínas de alto rendimiento y rápida en sistemas de expresión libre24. Aunque se ha demostrado la producción de proteínas de plantilla lineal amplificado PCR, la producción de estas reacciones son aproximadamente 13.5-fold inferior con respecto a reacciones utilizando plásmidos plantilla de la DNA en proporciones equimolares9. Esto es principalmente debido a la inestabilidad de la plantilla de ADN linear que es degradado por las nucleasas endógenas presentes en V. natriegens extracto crudo de la célula. Mientras phage de la lambda GamS de proteína se ha utilizado previamente para proteger la DNA Linear plantilla24,25, se encontró incompatible con V. natriegens extractos de9. Además, mientras que el aumento de la concentración de la plantilla de la DNA linear puede permitir un mayor rendimiento de proteína, su rápida degradación en el extracto crudo de la célula seguirá siendo un problema importante.
Una solución para superar la degradación de plantilla de ADN lineal puede ser complementar las reacciones sin células con plantilla del mRNA generado por transcripción in vitro de ADN lineal. Por otro lado, el uso de un inhibidor de la Rnasa ofrece una protección significativa contra la degradación de transcripción de mRNA y proteína apreciables rendimientos pueden obtenerse en el formato libre reacción de 10 μL (figura 5AB). Clonación de DNA lineal en una plantilla circular a través de la ligadura de TA, TOPO clonación Asamblea de Golden Gate y otros métodos de recombinación pueden utilizarse para evitar la degradación de la plantilla. Sin embargo, más métodos para la inhibición de la actividad de nucleasa será necesarios para la expresión de la proteína eficiente utilizando la plantilla de la DNA linear.
Hasta la fecha, se han propuesto varios métodos para la preparación del extracto crudo de proteína libre expresión9,10,11,26. En el desarrollo de este protocolo, se intentó maximizar la accesibilidad del usuario, reducir costos y minimizar pasos lentos. Por ejemplo, un rendimiento de alto valor proteico se consigue mediante un proceso de centrifugación de sonicación de dos etapas simple y no requiere Homogenizadores celulares, pasos largos de diálisis o reacción de la segunda vuelta. Es fácil de ejecutar en un corto periodo de tiempo y no requiere alto nivel de experiencia de laboratorio. Por lo tanto, puede ayudar a facilitar la libre expresión como un estándar para la investigación académica aplicada y diseño de procesos industriales.
Este protocolo amplía el conjunto de herramientas disponible para la investigación y la utilidad de V. natriegens, un organismo no modelo con propiedades biológicas únicas. Mayor rendimiento de proteína se logra mediante el empleo de reacciones semi - o completamente-continuo sin células, para permitir la regeneración de energía, reabastecimiento de aminoácidos y la eliminación de residuos3,5,27. Además, la ingeniería de tipo salvaje V. natriegens para producir cepas deficientes en DNasa o Rnasa, eliminación de caminos metabólicos deletéreos y compitiendo y la expresión de tRNAs adicional podrían realzar grandemente la producción de proteínas en Este sistema28,29. Como nos desvela la biología subyacente a su rápido crecimiento, más desarrollo de V. natriegens sistemas libres de células puede acelerar las capacidades de producción biológica y permiten robusta expresión de péptidos terapéuticos, moléculas pequeñas y sintético materiales.