I triterpeni sono uno dei più grandi e la maggior parte delle famiglie strutturalmente diversificata di prodotti naturali vegetali. Nonostante la loro diversità immensa, tutti i prodotti naturali del triterpene sono creduti per essere derivato dalla stessa lineare precursore 2,3-oxidosqualene, un prodotto della via del mevalonate nelle piante. Ciclizzazione di 2,3-oxidosqualene è avviato e controllato da una famiglia di enzimi chiamati oxidosqualene ciclasi (OSSC). Questo passaggio di ciclizzazione rappresenta il primo livello di diversificazione, con centinaia di diversi triterpene impalcature che sono segnalate da natura1. Queste impalcature sono ulteriormente diversificate di sartoria enzimi tra cui, ma non limitato a, citocromo p450s (CYP450s)1,2. Tali vie biosintetiche possono portare a immensa complessità, a volte con conseguente prodotti finali che sono a malapena riconoscibili dal triterpene del padre. Ad esempio, la complessa struttura del potente insetticida e antifeedant Limonoide azadiractina è creduta per derivare da un triterpene tetraciclico del tirucallane tipo3.
Molti prodotti naturali derivati triterpenici, anche quelli con impalcature padre relativamente invariato, hanno dimostrati di possedere attività biologica in medicina pertinenti4,5,6,7. Tuttavia, finora questo potenziale non è tradotto in una pletora di farmaci derivati triterpenici nella clinica. Questo è probabilmente (almeno parzialmente) una conseguenza dell'accesso sintetico pratica limitata a questa classe di composti, un problema che può soffocare l'esplorazione delle relazioni struttura-attività e lo sviluppo di condurre i candidati da tradizionali medicinali flussi di lavoro di chimica.
L'espressione transitoria degli enzimi biosintetici del triterpene da altre specie di piante a foglie N. benthamiana può deviare endogene forniture di 2,3-oxidosqualene verso la produzione di nuovi prodotti ad alto valore triterpenici (Figura 1). Questo processo può essere utilizzato per caratterizzare funzionalmente enzimi candidato e ricostruire le vie biosintetiche dei metaboliti importanti naturale. Ugualmente, può anche essere sfruttato negli approcci combinatoriali biosintetici di produrre prodotti di romanzo del triterpene, una strategia che può provocare nelle librerie di analoghi strutturalmente correlate, consentendo l'esplorazione sistematica delle relazioni struttura-attività 8,9i composti di piombo biologicamente attivo.
Agroinfiltrazione è uno strumento semplice ed efficace espressione transiente in N. benthamiana foglie. Il processo prevede l'infiltrazione di foglie con una sospensione di a. tumefaciens che trasportano il construct(s) di espressione binaria di interesse. Questo risultato è ottenuto tramite l'applicazione di pressione che costringe il liquido attraverso gli stomi, spostando l'aria nello spazio intercellulare e la sua sostituzione con la sospensione di a. tumefaciens . I batteri trasferire i rispettivi T-DNA all'interno delle cellule della pianta, con conseguente espressione della proteina localizzata e transitori in tessuto fogliare infiltrate.
Mentre qualsiasi vettore binario adatto per generazione di piante transgeniche possono essere impiegate per l'espressione transitoria, utilizziamo la Cowpea Mosaic Virus CPMV-derivato Hypertranslational (HT) proteina espressione sistema10, 11. in questo sistema il gene di interesse è fiancheggiato da regioni non tradotte (UTR) da CPMV RNA-2. 5' UTR contiene modifiche risultanti a livelli molto elevati di traduzione della proteina con nessun affidamento sulla replicazione virale12. Questa tecnica è stata sviluppata in serie di vettore binario di facile e rapido (pEAQ) che comprende la clonazione protocollo compatibile con costrutti (pEAQ -HT- DEST)10,11site-specific di ricombinazione. La maggior parte pEAQ vettori contengono anche un pomodoro bushy stunt virus-derivato P19 silenziamento suppressor gene13 all'interno della parte di T-DNA della cassetta di espressione, che aggira la necessità di coinfiltrate un ceppo P19-trasportare separato e offre molto espressione di proteine ad alto livello nell'ospite pianta cella10,11.
Uso di N. benthamiana come un host di espressione ha particolari vantaggi quando si lavora con vie biosintetiche pianta. L'architettura cellulare supporta intrinsecamente appropriato mRNA e proteina elaborazione e compartimentalizzazione corretta, oltre a possedere le necessari co-enzimi, riduttasi (per CYP450s) e precursori metabolici. Fonte di carbonio è la fotosintesi; così, piante possono essere coltivate semplicemente in compost di qualità buona, che richiedono solo acqua, CO2 (dall'aria) e luce del sole come input. La piattaforma è anche estremamente conveniente per la co-espressione di diverse combinazioni di proteine, come questo può essere raggiunto facilely per co-infiltrazione di diversi ceppi di a. tumefaciens, negando la necessità di costruire grandi espressione multigenica cassette. Inoltre, il processo può essere linearmente e affidabile scalato semplicemente aumentando il numero delle piante utilizzate nell'esperimento.
Lavoro precedente nel nostro laboratorio ha dimostrato l'utilità di questa piattaforma per esperimenti su scala preparativa. Questo incluso la preparazione di triterpeni romanzo per uso in saggi di bioattività e scala fino a raggiungere la quantità di grammi di prodotto isolato. Inoltre, può essere aumentato accumulo di prodotti eterogenei triterpene molteplice di co-espressione di una forma N-terminal-troncato, feedback-insensibile di 3-idrossi, 3-methyglutary-coenzima A reduttasi (tHMGR), una limitazione della velocità a Monte enzima in mevalonate pathway8.
Chiave per tali esperimenti preparativo-scala è la capacità di up-scala convenientemente il processo di infiltrazione. In un tipico esperimento, decine o centinaia di piante possono essere necessaria per raggiungere la quantità di destinazione del prodotto isolato. Le singole foglie di infiltrazione a mano (usando una siringa inutile) è funzionalmente esigente e spesso costi proibitivi che richiede tempo, rendendo questo metodo poco pratico per scale-up routine. Infiltrazione vuoto offre vantaggi rispetto l'infiltrazione di mano, poiché non è dipenda dal livello di abilità dell'operatore e consente l'infiltrazione di una maggiore area della superficie fogliare. Questa procedura è usata commercialmente per la produzione su larga scala di proteine farmaceutici14. Questo protocollo utilizza un apparato di infiltrazione vuoto facilmente replicabili, che può essere costruito da parti commercialmente disponibili. Questo consente l'infiltrazione simultanea di fino a 4 piante, offrendo l'infiltrazione batch-wise rapido e pratico di centinaia di piante in un breve periodo di tempo (Figura 2a -2b). L'apparato di infiltrazione vuoto è costituito da un forno sotto vuoto che forma la camera di infiltrazione (Figura 2f). Il forno è collegato ad una pompa tramite un serbatoio a vuoto. Questo riduce notevolmente il tempo necessario per ottenere il vuoto desiderato nella camera di infiltrazione. Le piante sono fissate in un supporto su misura e invertite in un bagno di 10 L d'acqua in acciaio inox riempito con sospensione a. tumefaciens (Figura 2a -2C). Completa immersione delle parti aeree delle piante è importante per l'infiltrazione efficace. Bagno d'acqua viene poi collocato all'interno della camera di infiltrazione (figura 2d -2e) e il vuoto applicato per disegnare l'aria fuori gli spazi interstiziali di foglia. Una volta che la pressione è stata ridotta da 880 mbar (un processo che dura circa 1 min) la camera di infiltrazione è portata rapidamente indietro a pressione atmosferica oltre 20-30 s aprendo la valvola di aspirazione del forno, dopo di che l'infiltrazione è completa.
Cinque giorni dopo l'infiltrazione di materiale vegetale è pronto per la raccolta e la successiva estrazione e l'isolamento del prodotto desiderato. Da questo punto il processo è semplicemente uno dei prodotto naturale estrazione e purificazione da materiale del foglio, un flusso di lavoro che è familiare a qualsiasi chimico prodotto naturale. Molti metodi diversi per l'iniziale estrazione e purificazione successiva esistono15. La scelta più appropriata di metodi e le condizioni esatte utilizzate dipende fortemente le particolari proprietà chimiche del composto di interesse, oltre alla disponibilità di competenze e/o attrezzature. Non è possibile includere in questo protocollo un metodo completamente generalizzabile, passo-passo per l'elaborazione a valle del materiale raccolto pianta foglia isolato prodotto che potrebbe essere seguito ciecamente per qualsiasi prodotto del triterpene di interesse, né sarebbe appropriato per tentare di farlo. Tuttavia, questo protocollo fornirà una panoramica del flusso di lavoro base utilizzato nel nostro laboratorio e alcuni metodi per le fasi iniziali del processo, che nella nostra esperienza si sono rivelati generalizzabile per prodotti di triterpene aglicone più ossigenati. Questo include due tecniche relativamente rari, vale a dire, estrazione pressurizzata di solvente (PSE) e un metodo conveniente fase eterogenea per la rimozione di clorofilla utilizzando una resina a scambio ionico fortemente basico.
PSE è una tecnica altamente efficiente per l'estrazione di piccole molecole organiche da matrici solide. Le estrazioni vengono eseguite sotto pressione (ca. 100-200 bar), scegliere il vantaggio principale è la possibilità di utilizzare alleviò le temperature che superano il punto di ebollizione del solvente di estrazione. Questo può ridurre significativamente il tempo e la quantità di solvente necessario per ottenere un'estrazione esaustiva, rispetto ad altre tecniche di solvente caldi come semplice riflusso o Soxhlet estrazioni16. Strumenti commerciali di PSE banco sono disponibili, che utilizzano cellule di estrazione intercambiabili e solvente automatizzati movimentazione, riscaldamento e monitoraggio. Questo rende questa tecnica estremamente conveniente. È anche probabilmente meno pericoloso, in particolare per gli operatori con esperienza di chimica pratica limitata.
Saponificazione di estratti grezzi foglia sotto riflusso seguita da liquido/liquido partizionamento è una tecnica comune per la rimozione di massa delle clorofille prima purificazione successiva o analisi. Tuttavia, questo può spesso essere operativamente esigenti su scala più ampia. Inoltre, la rilevazione dell'interfaccia, o della perdita del prodotto dovuta alla formazione di emulsioni può essere problematico. L'uso di resine scambiatrici di ioni fortemente basico per eseguire idrolisi in fase eterogenea può servire come una comoda alternativa. La parte pigmentata della clorofilla idrolizzata rimane aderita alla resina e può essere semplicemente rimossi per filtrazione. Questo protocollo utilizza un adattamento di scala preparativa di un procedimento analitico precedentemente segnalati17 che si avvale di una resina a scambio ionico base disponibili in commercio.
Qui di seguito descriviamo un protocollo dettagliato e rapido per la produzione su scala preparativa di triterpeni che utilizzano questa piattaforma vegetale. Questo protocollo viene utilizzato ordinariamente nel nostro laboratorio per preparare decine o centinaia di milligrammi del triterpene isolato prodotto per applicazioni tale caratterizzazione strutturale mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), e/o ulteriore studio in funzionale saggi.