$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1. Progettazione del frammento di gene
NOTA: Il frammento genico deve avere tutti gli elementi genetici necessari per la trascrizione/traduzione, tra cui il promotore, il sito di legame del ribosoma (RBS), il codone di partenza, il gene di interesse e il terminatore. Mentre il terminatore non è necessario per un modello di espressione lineare (LET), sarà importante se l'utente decide di inserire la sequenza in un plasmide. Queste sequenze sono state sollevate dal plasmide55 pJL1-sfGFP (dono del laboratorio di Michael Jewett), che utilizza un promotore T7. Oltre a questi elementi genetici necessari, viene aggiunto un sito di taglio enzimatico di restrizione sei coppie di basi prima del promotore (sito di taglio 5') e altre sei coppie di basi dopo il terminatore (sito di taglio 3'), in questo caso usando HindIII (altri enzimi di restrizione possono essere utilizzati, ma è utile standardizzare le sequenze con un enzima di restrizione ad alta fedeltà per ridurre il numero necessario per mantenere nella libreria). Ai siti di primer vengono aggiunte dieci coppie di basi a monte del sito di taglio da 5' e dieci coppie di basi a valle del sito di taglio da 3', in questo caso utilizzando sequenze di primer M13 standardizzate (i primer sono articoli di riserva economici). Il sito enzimatico di restrizione e i primer utilizzati sono a discrezione dell'utente. Tuttavia, l'utente deve assicurarsi che le sequenze non siano presenti in nessun'altra parte del modello (non vogliono creare tagli indesiderati o siti di avvio dell'amplificazione). Le sequenze per i modelli utilizzati in questo lavoro sono dettagliate nel materiale supplementare. Questi passaggi vengono utilizzati per modificare da questo modello di base.
- Determinare il gene desiderato da esprimere e ottenere la sequenza aminoacidica o la sequenza genetica se è stata espressa in E. coli.
- Se si tratta di una sequenza di amminoacidi, eseguire l'ottimizzazione del codone per E. coli utilizzando uno dei tanti strumenti standard del fornitore56. Se si utilizza il modello fornito nel supplemento, assicurarsi che la sequenza ottimizzata non abbia siti di restrizione HindIII (AAGCTT). Nel caso in cui lo faccia, continuare a ottimizzare la sequenza fino a quando non c'è più un sito HindIII.
- Copia la sequenza e incollala nel modello fornito per la sequenza supplementare #1 in cui è indicato il gene di interesse. Se si esprime sfGFP, utilizzare la sequenza supplementare #1 così com'è. Se si esprime subtilisina, utilizzare la sequenza supplementare #2 così com'è.
- Ordina il modello minimo e i primer necessari dal servizio di sintesi del DNA preferito.
2. Risusegnare il frammento di gene e i primer
NOTA: Al ricevimento del frammento genetico, seguire i protocolli del produttore per la risospensione o utilizzare questa semplice guida per creare un ceppo di DNA.
- Centrifugare il tubo (300 x g per 5 s) per raccogliere il pellet di DNA sul fondo.
- Aggiungere acqua doppia distillata (ddH2O) per ottenere una concentrazione finale di 10 ng/μL di modello di DNA.
- Vortice la soluzione su un'impostazione media per 5-10 s.
- Sciogliere l'intero pellet incubando a 50 °C per 20 min.
- Brevemente vortice di nuovo
- Centrifugare a 300 x g per 5 s per raccogliere la soluzione sul fondo del tubo.
- Conservare a -20 °C o utilizzare in PCR.
- Preparare un primer da 100 μM riutilizzando i primer in acqua priva di nucleasi. Per determinare la quantità di acqua da aggiungere, moltiplicare il numero di nanomoli di primer liofilizzato per 10. Ad esempio, se il tubo contiene 45 nM di primer liofilizzato, aggiungere 450 μL di ddH2O e vorticare la soluzione.
- Conservare le soluzioni di primer a -20 °C o continuare a eseguire l'amplificazione.
3. Amplificazione del frammento genico tramite PCR
NOTA: Decidere quale kit PCR è giusto per il gene di interesse. I geni più piccoli (<1.000 kb) possono essere più suscettibili a una Taq polimerasi più economica, mentre i geni più grandi (≥1.000 kb) possono beneficiare della polimerasi ad alta fedeltà per ridurre gli errori. È importante notare che questa amplificazione PCR iniziale non è necessaria se l'utente non si preoccupa di preservare il frammento genico iniziale (fornisce più tentativi di circolarizzazione e consente studi comparativi del prodotto LET vs. RCA). È anche importante notare che questa LET amplificata pcr può essere utilizzata direttamente nelle reazioni; tuttavia, come menzionato nell'introduzione, consentirebbe solo un numero limitato di reazioni se le ulteriori fasi di amplificazione fossero ignorate. La digestione e la legatura possono essere eseguite direttamente sul frammento di gene risospeso57 (se si è certi, non avranno bisogno di più LET per eseguire ulteriori stock di circolarizzazione). In questo caso, saltare il paragrafo 3 e continuare con il paragrafo 4. Per eseguire la PCR, attenersi alla seguente procedura.
- Utilizzare le scorte da 100 μM del passaggio 2.8 per creare soluzioni di lavoro da 10 μM. Molti protocolli di kit PCR richiedono soluzioni di primer da 10 μM.
- Programmare il termociclatore per condurre la reazione secondo i protocolli del produttore del kit. Kit diversi richiedono parametri ciclistici leggermente diversi. Per il kit elencato nella Tabella dei Materiali,le condizioni sono 94 °C per 30 s di denaturazione iniziale; 30 cicli di 94 °C per 30 s di denaturazione, 45 °C per 30 s di ricottura di primer e 68 °C per 60 s di estensione; con un'estensione finale a 68 °C per 5 min; e infine, una presa indefinita di 10 °C.
- Assicurarsi di selezionare il tempo di allungamento corretto (variabile a seconda della lunghezza del gene da amplificare). Avere un tempo di allungamento di 1 min per ogni 1.000 bp.
- Assicurarsi di inserire la temperatura di ricottura corretta per i primer. Utilizzare un calcolatore Tm online che utilizza entrambi i primer come input per determinare la migliore temperatura di ricottura58. Una temperatura di ricottura di 45 °C è sufficiente quando si utilizzano primer M13.
- Quando si determina il numero di cicli, fare riferimento al protocollo del produttore, ma 30 cicli si tradurranno più spesso in un'amplificazione sufficiente.
- Se si esegue la PCR, scongelare e vorticare i dNTP. Utilizzare il buffer PCR fornito nel kit.
- In un unico tubo PCR, combinare tutti i componenti del kit come indicato nel protocollo del produttore. Per garantire un'amplificazione di successo, aggiungere 1 μL di DNA risospeso (fase 2.6).
- Omogeneizzare delicatamente la miscela ruotando su presa media per 5-10 s. In alternativa, pipettare metà del volume su e giù 10-20 volte a vortice.
- Eseguire la reazione PCR.
- Se il protocollo PCR non includeva una fase di raffreddamento finale, lasciare raffreddare la reazione per 5 minuti a 10 °C prima di rimuovere per guidare la condensa sul fondo del tubo.
- Purificare la reazione utilizzando un kit di pulizia PCR seguendo le istruzioni del fornitore.
- In un tubo da 1,5 ml, aggiungere il tampone legante il DNA e il campione PCR con un rapporto di 5:1, rispettivamente.
- Trasferire questa miscela nella colonna di centrifuga e centrifugare a 16.000 x g per 1 minuto. Scartare il flusso attraverso.
- Aggiungere 200 μL di tampone di lavaggio del DNA alla colonna e incubare a temperatura ambiente per 1 minuto.
- Centrifugare per 1 minuto a 16.000 x g ed eliminare il flusso attraverso.
- Ripetere i passaggi 2.8.3 e 2.8.4 senza la fase di incubazione di 1 min.
- Centrifugare per ulteriori 1-2 minuti a 16.000 x g per rimuovere l'eventuale buffer rimanente.
- Eluire il DNA in 46 μL di ddH2O.
- Quantificare il DNA purificato utilizzando uno spettrofotometro.
- Conservare il DNA purificato a -20 °C o procedere al passaggio successivo.
4. Digestione e circolarizzazione
NOTA: Un'ulteriore amplificazione può essere ottenuta circolarizzando il DNA seguito da RCA. Digerire il DNA per preparare il modello per la circolarizzazione. Questo rimuoverà le sequenze di primer e creerà estremità appiccicose sia alle estremità 5' che a quelle 3' del modello. Riattaccare queste estremità tramite reazione di legatura.
- In un tubo PCR, combinare 5 μL del tampone necessario, 20 U di HindIII e 45 μL del DNA purificato dal passo 3.8.
- Omogeneizzare delicatamente questa miscela con una pipetta.
- Incubare la miscela in un termociclatore per 15 minuti a 37 °C.
- Il calore inattiva HindIII incubando per 20 minuti a 80 °C.
- Lasciare raffreddare la reazione a 10 °C prima di rimuovere per guidare la condensa sul fondo del tubo.
- Aggiungere 5 μL di tampone T4 ligasi e 800 U di T4 ligasi al DNA appena digerito.
- Utilizzare T7 ligasi, se lo si desidera.
- Omogeneizzare delicatamente questa miscela con una pipetta.
- Incubare la miscela per 1 ora a 25 °C per eseguire la reazione di circolarizzazione.
- Purificare la reazione utilizzando un kit di pulizia PCR seguendo le istruzioni del fornitore. Utilizzare lo stesso protocollo descritto nel passaggio 3.8.
- Quantificare il DNA utilizzando uno spettrofotometro. I valori attesi sono ~20 ng/μL.
- Conservare a -20 °C o procedere al passaggio successivo.
5. Amplificazione isotermica del cerchio di rotolamento
NOTA: L'amplificazione rolling circle (RCA) può essere eseguita utilizzando un kit commerciale o con componenti acquistati singolarmente. Seguire il protocollo del produttore garantirà un'amplificazione di successo. I kit contengono in genere un tampone campione, un tampone di reazione e una polimerasi che sposta il filamento, come la φ29 polimerasi. Tubi di reazione multipli possono essere combinati per produrre una grande quantità di DNA per l'espressione libera da cellule (4 μg da 20 pg di materiale di partenza). Il seguente protocollo funziona in modo efficiente.
- In un singolo tubo, combinare 20 μL del tampone campione, 20 μL del tampone di reazione, 0,8 μL dell'enzima e 1 μL del modello di espressione circolare (CET) dal passaggio 4.9.
NOTA: Questo avrà una massa totale del DNA di ~ 20 ng, ma RCA può funzionare con quantità di picogramma, consentendo così la diluizione del CET e l'amplificazione enzimatica estrema se c'è una significativa necessità di materiale nello screening ad alta produttività.
- Omogeneizzare la miscela con una pipetta e aliquote 10 μL della miscela in quattro tubi separati.
- Incubare a 30 °C per 4-18 ore.
- Il calore inattiva l'enzima incubando a 65 °C per 10 min. Ridurre la temperatura a 12 °C per 5 minuti per favorire la condensa sul fondo del tubo.
NOTA: è più facile combinare tutti i passaggi di temperatura in un protocollo automatizzato su un termociclatore.
- Diluire la soluzione risultante aggiungendo 15 μL di ddH2O a ciascun tubo.
- Combinare tutti i tubi e aggiungere direttamente a una reazione senza cellule.
- Se lo si desidera, utilizzare un kit di pulizia PCR per purificare il prodotto ed eluirlo in 36 μL di ddH2O per quantificare. Assicurarsi che la concentrazione del modello sia ~100 ng/μL.
6. Reazione senza cellule
NOTA: eseguire l'espressione senza celle combinando buffer di energia, estrazione e modello RCA. Una tipica reazione priva di cellule che utilizza il tampone energetico PANOx-SP è costituita da 1,2 mM di ATP, 0,85 mM ciascuno di GMP, UMP e CMP, 30 mM di fosfoenolpiruvato, 130 mM di glutammato di potassio, 10 mM di glutammato di ammonio, 12 mM di glutammato di magnesio, 1,5 mM di spermidina, 1 mM di putrescina, 34 μg/mL di acido folinico, 171 μg/mL di miscela di E. coli tRNA, 2 mM ciascuno di 20 aminoacidi non etichettati, 0,33 mM NAD, 0,27 mM Di Coenzima A (CoA), 4 mM ossalato di potassio, tampone HEPES-KOH da 57 mM (pH 7,5), volume dello 0,24% dell'estratto di E. coli e quantità variabili di DNA23,49. Il volume di reazione può variare, ma le reazioni da 15 μL possono risparmiare sull'uso del reagente e sono abbastanza piccole per l'uso in una micropiastra49,50a parete nera 384 .
- Se si esprime una proteina fluorescente come sfGFP, preparare un lettore di piastre per leggere all'eccitazione / emissione, alla temperatura e all'agitazione desiderate.
- Se si utilizza una piastra a 384 pozzetti, aliquota 60 μL di H2O nei pozzetti confinanti con un pozzo campione vuoto per mantenere l'umidità e ridurre l'effetto bordo.
- Aggiungere i vari componenti richiesti in un tubo per ogni campione. Aggiungi abbastanza per eseguire triplicati. Le repliche all'interno della piastra possono aiutare a identificare le cause della variabilità.
- Aggiungere l'estratto, il tampone energetico e poi il DNA.
- Diluire fino al volume finale desiderato con ddH2O.
- Mescolare accuratamente questa soluzione pipettando metà del volume della soluzione su e giù 10-20 volte.
- Trasferire la miscela di reazione in aliquote da 15 μL nei pozzetti desiderati nella piastra del microtitolazione.
- Sigillare la piastra con un film sigillante incolore per mantenere l'umidità e prevenire l'evaporazione.
- Posizionare la piastra sigillata nel lettore di piastre e consentire il completamento della reazione.
- Se si esprime una proteina che non ha la capacità di essere monitorata dal vivo, utilizzare un altro apparato a temperatura controllata come un termoblocco per incubare la piastra.
7. Saggio della subtilisina
NOTA: Se si esprime il gene della subtilisina BPN' (SBT(n)) nella sequenza supplementare #2,seguire questo protocollo per analizzare l'attività.
- Preparare una soluzione madre da 10 μM di N-succinil-Ala-Ala-Pro-Phe p-nitroanilide in dimetilformammide (DMF).
- Impostare un lettore di piastre per misurare l'assorbanza a 410 nm ogni 20 s per 10 minuti mantenendo una temperatura di 25 °C.
- In una piastra a fondo piatto, incolore a 96 pozzetti, aliquota 94 μL di ddH2O e 1 μL di N-succinil-Ala-Ala-Pro-Phe p-nitroanilide dal punto 7.1.
- Aggiungere 5 μL della reazione finita senza cellule dal passaggio 6.7 e leggere utilizzando un lettore di piastre impostato sul protocollo descritto nel passaggio 7.2.