פרוטוקול זה מתאר שיטת חילוץ והשקעה מהירה וניתנת לשחזור מבוססת ממס אורגני לטיהור פוליפפטיד דמוי אלסטין (ELP) מ-Escherichia coli, ומספק חלופה ניתנת להרחבה פוטנציאלית לשיטות טיהור ELP קונבנציונליות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר שיטת חילוץ והשקעה מהירה וניתנת לשחזור מבוססת ממס אורגני לטיהור פוליפפטיד דמוי אלסטין (ELP) מ-Escherichia coli, ומספק חלופה ניתנת להרחבה פוטנציאלית לשיטות טיהור ELP קונבנציונליות.
פוליפפטידים דמויי אלסטין (ELP) הם ביופולימרים מהונדסים הנבנים מרצפי פנטאפפטיד חזרתיים המדמים מוטיבים שנמצאים בטרופולסטין ביונקים. המאפיינים הייחודיים שלהם הופכים אותם למועמדים אידיאליים למגוון רחב של יישומים ביו-רפואיים, החל מהעברת תרופות וגנים ועד להנדסת רקמות ודימות מולקולרי ממוקד. שיטות טיהור קונבנציונליות מביטוי Escherichia coli (E. coli) עלולות להיות לא יעילות עבור ELP בשל היווצרות גופי הכללה. שיטות אחרות, כמו מחזור מעבר הפוך (ITC), מנצלות את תכונות טמפרטורת התמיסה הקריטית (LCST) הנמוכה יותר של ELP כדי להפריד אותו מזהמים כמו ליפופוליסכרידים (LPS), אך בדרך כלל דורשות מספר שלבי חימום וקירור שגוזלי זמן ועלולים לגרום להתאוששות נמוכה בהתאם לרצף, ריכוז ומשקל מולקולרי של מבנה ה-ELP. כדי להתמודד עם אתגרים אלו, פיתחנו תהליך חילוק-משקעים מבוסס ממס אורגני שמנצל את ההידרופוביות הפנימית של ELP כדי לאפשר טיהור מהיר, חזק ורחב יישום ישירות מכדורי תאי E. coli . שיטה זו עושה שימוש בממסים אורגניים קוטביים כדי לסייע בהפרעה לתאים ולמסיס באופן סלקטיבי את ELP בשלב אחד. שלב המשקעים הבא מסיר למעשה ממססים אורגניים שאריתיים, זיהומים בעלי משקל מולקולרי נמוך ואנדוטוקסינים, ומניב ELP טהור מאוד עם רמות LPS מתחת ל-1 EU/mL בפחות מ-3 שעות. נתוני מיקרוסקופ כוח אטומי מצביעים על כך שחלבוני ELP-Fusion שטוהרו בדרך זו יכולים להתאסף למבנים דמויי מיצל הפוך ששומרים על תפקוד חלבוני המיזוג. שיטת טיהור מהיר זו מציעה לחוקרים דרך פשוטה ופוטנציאלית להרחבה לטיהור ELP, ויוצרת אפשרויות חדשות לשימוש ב-ELP ובחלבוני המיזוג שלו כאבני בניין גמישות ליישומים חומריים וביו-רפואיים.
פוליפפטידים דמויי אלסטין (ELPs) הם ביופולימרים המורכבים ממוטיבים חוזרים (VPGXG)n 1,2,3,4,5,6,7,8,9. שארית האורח X ביחידת הפנטפפטיד יכולה להיות כל חומצת אמינו שאינה פרולין. וריאציות ב-X יכולות לשמש לכוונון ההידרופוביות, התנהגות המעבר התרמי והמאפיינים הפונקציונליים של מבנה ELP ליצירת חומרים ביו-תואמים מודולריים שנחקרו רבות ביישומים ביו-רפואיים שונים 10,11,12.
בעוד שסינתזה כימית יכולה לשמש לייצור פפטידים קצרים, היא אינה מתאימה במיוחד ל-ELPs בעלי משקל מולקולרי גבוה או לשימור תפקוד חלבוני המיזוג13,14. מסיבות כאלה, ELPs בדרך כלל מבוטאים באופן רקומביננטי ב-E. coli, מה שמאפשר ייצור מוגדר לפי רצף בכמויות גדולות. עם זאת, גישה זו עלולה גם להביא אתגרים. במהלך הביטוי שלהם ב-E. coli, ELPs מצטברים לעיתים בתוך גופים צפופים, מה שדורש אסטרטגיות התאוששות יעילות להפקת חלבון פונקציונלי15. יתרה מזאת, ביטוי חיידקי מכניס מולקולות ביולוגיות לא רצויות כגון חלבוני תאי המארח, חומצות גרעין וליפופוליסכרידים (אנדוטוקסים) שיש להפריד מה-ELP במהלך הטיהור. אסטרטגיות מסיסות מסורתיות המשתמשות בדטרגנטים (למשל, סודיום דודציל סולפט (SDS) או טריטון X-100) או סוכנים כאוטרופיים כמו אוריאה זכו להצלחה מוגבלת עבור רצפי ההיתוך ELP שלנו. מניסיוננו, טריטון ואוריאה לא הצליחו להפיק ELPs משלב הפלט, בעוד ש-SDS אפשר מסיסות חלקית אך הפריע לטיהור הזיקה במורד הזרם והיה קשה להסיר אותו לחלוטין מרצף ה-ELP ההידרופובי.
עד היום, מחזור מעבר הפוך (ITC) נותר שיטת הטיהור הנפוצה ביותר עבור ELPs. טכניקה זו מנצלת את התנהגות ה-LCST שלהם כדי להשקיע ולמסיס את ה-ELP באופן סלקטיבי דרך גרדיאנטים של טמפרטורה ומלח16. עם זאת, עם חלבונים בעלי משקל מולקולרי נמוך יותר, ITC הוא תהליך רב-שלבי גוזל זמן רב שאינו מתאים במיוחד ל-ELPs הכלואים בגופי הכללה, ודורש מספר מחזורי ITC שיכולים להוביל לאובדן חלבונים בכל שלב 7,16.
כדי להתגבר על מגבלות אלו, אימצנו תהליך הפקה והשקעה מבוססת ממס אורגני. בעוד שיכנין ואחרים הדגימו לראשונה אסטרטגיית חלוקה מונעת הידרופוביות לטיהור GFP באמצעות גרדיאנטים של אתנול ומלח בשנת 1998, השיטה החדשה שפיתחנו עושה שימוש בתערובות ממס אורגניות כדי להפיק ישירות חלבוני מיזוג ELP מתאי E. coli 7. סוויט ואח' ודרג'י ואח' התאימו גישה זו למיזוג ELP, והראו כי הפקת ממס אורגני מאפשרת התאוששות מהירה של ELPים פונקציונליים תוך שמירה על שלמות מבנית וביואקטיביות 8,9. גישה זו משתמשת בסוניקציה ובממסים אורגניים כדי לפרק תאי חיידקים ולחילוץ ELPs בפעולה אחת, תוך השפעת רוב חלבוני המארח וחומצות גרעין. התאוששות של השלב האורגני העשיר ב-ELP, ואחריה השקעה מהירה לבידוד ה-ELPs מממסים וזיהומים מסיסים, מניבה ELPs טהורים מאוד. גישה זו מסוגלת גם להניב ELP טהור מכדורי E. coli עם רמות אנדוטוקסין מתחת ל-1 EU/mL בפחות משלוש שעות 7.8.
מחקרים עד כה מראים ששיטה זו מסוגלת לטהר מבני ELP וחלבוני מיזוג ELP במשקל מולקולרי ונקודת איזואלקטרי משתנים, ללא מחזורי ITC מרובים או שלבי מסיסה (איור 1). מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ודימות מיקרוסקופ אלקטרוני העברה (TEM) מצביעים על כך שחלבוני ELP-פיוז'ן מטוהרים בדרך זו יוצרים מבנים דמויי מיצל הפוך (איור 2), ובכך מסייעים לשמר את המבנה והתפקוד של תחומי המיזוג של ELP במהלך הפקת הממס האורגני. תהליך עבודה יעיל זה מאפשר טיהור ELP מהיר ואמין יותר ליישומים ביורפואיים מגוונים 7,8. ראוי לציין כי Aayush ואחרים דיווחו שמבני ELP שטוהרו בשיטה זו שמרו על פונקציית קישור לקולטני גורם הגדילה האפידרמלי18, מה שמדגיש את הנקודה ששיטה זו לא רק מייצרת חומר ELP טהור, אלא גם שומרת על פעילות תחום חלבון המיזוג.
כהדגמה נוספת לשימושיות שיטה זו בבידוד מיזוג ELP-אנזים, אנו מתארים שיטה מפורטת מבוססת ממס אורגני לטיהור מבנה מוטאז ELP-Intein-Chorismate 2 (ELP-I-Cm2) (איור 3). שיטה זו עשויה להיות שימושית לטיהור מהיר של ELPs אחרים להעברת תרופות ויישומים של ננומטרים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. הכנת חומרים
2. ניתוק תאים והכנה (איור 4A)
3. הפקה אורגנית (איור 4B)
הערה: לכל ELP יש תנאי ממס מועדף משלו להניב חילוצים בטוהר גבוה (למשל, ביצועי AC באיור 1). לכן, יש לבדוק סקר ראשוני של 28 ממסים אורגניים ושילוביהם, ולנתח את הבודדים על ידי PAGE כדי לזהות את תנאי יעילות המסיסות האופטימליים למבנה הרלוונטי.
4. משקעים חלבונים
5. טיפול בכדורי חלבון והשעיה מחדש
6. אימות באמצעות SDS-PAGE
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
לאחר השלבים הסופיים של הפרוטוקול, השלב הבא הוא המחשת תוצאת ההוצאה-משקעים באמצעות ניתוח SDS-PAGE וצביעה כחולה של קומסי. כאשר יש שלב ליזיס לפני ההפקה אורגנית, יש להופיע רצועת ELP בולטת. במקרה של ELP-I-Cm2, תחום זה מופיע בעוצמה של 100 קילודאלטון (איור 3A).
סקר של שילובי ממס אורגניים שונים הראה יעילות הפקה משתנה (איור 3B), כאשר כל שילוב מניב ריכוזים וטוהרים שונים. אנו בוחרים את השילובים הטובים ביותר למיצוץ-משקעים בהתבסס על טוהר ומבחן תפקו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ITC שימש בעבר לטיהור לא-כרומטוגרפי של ELP19; עם זאת, זו יכולה להיות שיטה גוזלת זמן ותהליך בעל תפוקה נמוכה. בשיטות המפורטות לעיל, אנו מתארים גישה לטיהור מהיר של חלבון מיזוג ELP-I-Cm2, ומדגימה כיצד ניתן להשתמש בשיטת חילוץ-משקע אורגנית מבוססת ממס אורגני לטיהור מגוון רחב של היתוך ELP ו-ELP. פרוטוקול הממס האורגני לא רק מהיר יותר מ-ITC, אלא גם יעיל הרבה יותר עבור רצפי ELP קצרים יותר שיכולים לאתגר את שיטת ה-ITC. ייתכן שהוא גם אלטרנטיבה ניתנת להרחבה יותר מ-ITC ליישומים תע...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מודים למכון למחקר סרטן של אוניברסיטת פרדו ולתוכנית ה-CCSG של NIH (CA23168) על התמיכה בעבודה זו.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 2-מרקפטואנול | ביו-ראד | 161-0710 | רכיב SDS-PAGE |
| 30% אקרילאמיד/ביס-אקרילאמיד | TCI | A3218 | רכיב SDS-PAGE |
| אצטון | פישר סיינטיפיק | A949 | ממס אורגני |
| אצטוניטריל | פישר סיינטיפיק | A996 | ממס אורגני |
| אמפיצילין | ביוטכנולוגיה ביולוגית זהב | A-301-25 | אנטיביוטיקה |
| APS (אמוניום פרסולפאט) | ביו-ראד | 1610700 | רכיב SDS-PAGE |
| בוטנול | פישר סיינטיפיק | L13171 | ממס אורגני |
| EDTA | ביוריאגנטים של פישר | BP118-500 | רכיב בופר Lysis |
| אתנול | דיקון לאבס | UN1170 | ממס אורגני |
| אתיל אצטט | פישר סיינטיפיק | E195 | ממס אורגני |
| גליצרול | Research Products International | G22020-0.5 | רכיב מדיה של Terrific Broth (TB) |
| חומצה הידרוכלורית | פישר סיינטיפיק | A144SI-212 | רכיב בופר Lysis |
| כתם קומאסי מיידי | אבקאם | AB119211 | רכיב SDS-PAGE |
| IPTG | ביוטכנולוגיה ביולוגית זהב | 12481C25 | רכיב ביטוי חלבון |
| איזופרופנול | פישר סיינטיפיק | A451-1 | ממס אורגני |
| K2HPO4 (פספט אשלגן מונובסיסי) | מדעי הוורדס | 470302-246 | חלק 2 רכיב מאגר |
| KH2PO4 (פוטזיום פוספט דיבאסיק) | מדעי הוורדס | 470302-254 | חלק 2 רכיב מאגר |
| L-פרולין | Research Products International | P5200-500.0 | רכיב מדיה של Terrific Broth (TB) |
| ליזוזים | ביוטכנולוגיה ביולוגית זהב | L-040-1 | רכיב בופר Lysis |
| מתנול | פישר סיינטיפיק | A452 | ממס אורגני |
| מאגר דגימה מקורי | ביו-ראד | 161-0738 | רכיב SDS-PAGE |
| סולם חלבונים | ביוטכנולוגיה ביולוגית זהב | P008-500 | רכיב SDS-PAGE |
| מאגר ג'ל מתפרק | ביו-ראד | 1610798 | רכיב SDS-PAGE |
| סודים דודציל סולפט (SDS) | תרמו-סיינטיפיק | J18220-36 | רכיב SDS-PAGE |
| נתרן הידרוקסיד | פישר סיינטיפיק | S318-500 | רכיב בופר Lysis |
| בופר ג'ל ערימה | ביו-ראד | 1610799 | רכיב SDS-PAGE |
| TEMED | ביו-ראד | 1610801 | רכיב SDS-PAGE |
| בסיס טריס | ביוריאגנטים של פישר | BP-152 | רכיב בופר Lysis |
| טריפטון | Research Products International | T60065-1000.0 | רכיב מדיה של Terrific Broth (TB) |
| תמצית שמרים | Research Products International | Y20025-1000.0 | רכיב מדיה של Terrific Broth (TB) |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.