組換え技術により、材料設計者は組織工学アプリケーション向けにカスタマイズされた機能を持つ新しい人工タンパク質を作成することができました。例えば、人工細胞外マトリックスタンパク質は、天然ECMに由来する構造的および生物学的ドメインを組み込むように設計することができます。ここでは、エラスチン様リピートを含むaECMタンパク質の構築と精製について説明します。
方法論記事
組換え技術により、材料設計者は組織工学アプリケーション向けにカスタマイズされた機能を持つ新しい人工タンパク質を作成することができました。例えば、人工細胞外マトリックスタンパク質は、天然ECMに由来する構造的および生物学的ドメインを組み込むように設計することができます。ここでは、エラスチン様リピートを含むaECMタンパク質の構築と精製について説明します。
組換え技術は、調整可能な特性を持つ新しい人工タンパク質を作成するための多用途のプラットフォームです。過去10年間で、自然界に由来する機能ドメインを組み込んだ(またはde novoに作成された)多くの人工タンパク質が報告されています。特に、人工細胞外マトリックス(aECM)タンパク質が開発されています。これらのaECMタンパク質は、フィブロネクチン、ラミニン、コラーゲンから採取された生物学的ドメインで構成され、エラスチン様リピート、シルク、コラーゲンリピートなどの構造ドメインと組み合わされています。今日まで、aECMタンパク質は、組織工学や創傷修復への応用について広く研究されてきました。最近、Tjin氏らは、ヒトの皮膚ケラチノサイトの接着と増殖を促進するために設計されたインテグリン特異的なaECMタンパク質を開発しました。彼らの研究では、aECMタンパク質は、フィブロネクチン、ラミニン-5、コラーゲンIVから採取した細胞結合ドメインと、隣接するエラスチン様リピートを組み込んでいます。彼らは、彼らの研究で開発されたaECMタンパク質が人工皮膚の基質として使用するための有望な候補であることを示しました。ここでは、このようなaECMタンパク質の設計と構築、およびエラスチンの熱応答性を利用した精製プロセスについて概説します。
数十年にわたり、合成材料と天然材料の両方が組織工学の足場として利用されてきました1,2。ポリマーなどの合成材料は、優れた構造的完全性と調整可能な機械的特性を提供しますが、組織の成長と浸潤を促進するには不十分な生理活性を持つことがよくあります。一方、細胞外マトリックス(ECM)タンパク質などの天然素材は、優れた生物活性を持っていますが、バッチ間のばらつき、急速な分解、免疫原性の問題などの制限があります。そのため、組換えタンパク質は、天然タンパク質3,4の望ましい特性のみを模倣するように設計できるため、望まれている。
組換えタンパク質工学は、新規人工タンパク質バイオポリマーの設計と製造のための多用途のプラットフォームとして、幅広い関心を集めています。遺伝子配列を制御することにより、人工タンパク質の機能をさまざまな用途に合わせて調整することができます5,6。特に、人工細胞外マトリックス(aECM)タンパク質は、組織工学、再生、創傷修復のアプリケーション向けに複数の機能を持つように調整することができます2,7。さらに重要なことは、クローニングおよび精製技術の進歩により、スケーラビリティが向上し、組換えタンパク質の製造コストが大幅に削減されたことです。低コストで大量の組換えタンパク質を生産することが可能であり、これは臨床での使用にとって経済的である5。
人工細胞外マトリックスタンパク質は、組織工学の応用8-11のために開発されました。例えば、Tirrellらは、フィブロネクチンCS5配列とエラスチン様リピート(ELP-CS5)を含む人工タンパク質を用いて、小径の血管移植片を設計しました。彼らは、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)がこれらの材料に付着して成長できることを示しました12。また、フィブロネクチン、コラーゲン、ラミニン、フィブリノーゲン、ビトロネクチンから採取した短い生理活性配列や、エラスチン、クモの糸、コラーゲンを模倣した構造ドメインを組み込んで、さまざまな融合タンパク質を作製しているものもあります10。エラスチンベースのaECMタンパク質から作られたバルク架橋フィルムも、天然エラスチンと同様の機械的特性を示しました(弾性率は0.3〜0.6 MPaの範囲)13。その後、より長いフィブロネクチン断片を含むaECMタンパク質も、インテグリン結合親和性の増加によりin vitroで創傷治癒を促進すると報告されました8。
最近、インテグリン特異的な人工ECMタンパク質がTjinと共同研究者によって開発されました14。各aECMタンパク質には、ラミニン-5、コラーゲン-IV、フィブロネクチンなど、ヒトの天然皮膚2,7,15のECM成分から採取された生理活性細胞結合ドメインが含まれています。例えば、インテグリンα3β1は、ラミニン-5α-3鎖球状ドメイン3(LG3)16,17に見出されるPPFLMLLKGSTR配列に結合することが示されている。彼らの報告では、初代ヒト皮膚表皮ケラチノサイトは、存在する細胞結合ドメインの種類に応じて、各aECMタンパク質への結合に異なるインテグリンを優先的に関与させることを示しました。
Tjinらの研究で議論されているaECMタンパク質は、人間の皮膚の機械的特性を模倣する弾性を付与するエラスチン様ドメイン{(VPGIG)2VPGKG(VPGIG)2}8を隣接して含んでいます。さらに、エラスチン様リピート内にリジン残基が取り込まれると、水性溶媒への全体的なタンパク質溶解度も増加します。さらに、リジン残基は、架橋されたaECM膜の形成を促進するための架橋部位としても機能する12。aECMタンパク質配列内にエラスチン様リピートを含めることで、逆遷移サイクリング(ITC)14によりタンパク質を容易に精製することができます。エラスチンは、下臨界溶液温度(LCST)または逆転移温度(Tt)18-20として知られる特定の温度で急激で可逆的な相転移を受けます。エラスチンとエラスチン様リピートは、LCSTより下では親水性のランダムコイル構造を採用して水溶性になりますが、LCSTより上では、エラスチンは急速に凝集してミクロンサイズの粒子になります。このような相転移は可逆的であり、したがって、エラスチンベースのaECMタンパク質をITC技術21を介して容易に精製できるようにするために利用することができる。
この研究では、エラスチン様リピートに融合した生理活性細胞結合ドメインを含む人工ECMタンパク質を設計、構築、精製するための一般的な手順を報告します。aECMタンパク質のアミノ酸配列をコードするプラスミドを設計し、クローニングするプロセスについて説明します。ITCを使用してaECMタンパク質を精製するための手順を概説します。最後に、SDS-PAGE電気泳動とウェスタンブロッティングを使用して得られたaECMタンパク質の純度を決定する方法について説明します。
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AECMタンパク質のための組み換えプラスミドエンコーディングの1クローニング
2。細菌発現宿主への組換えプラスミドの形質転換
AECMタンパク質の3細菌発現
細菌培養の4溶解
逆転移サイクリングを使用AECMタンパク質の5精製
SDS-PAGE電気泳動を用いてAECMタンパク質の6キャラクタリゼーション
ウエスタンブロッティングを使用してAECMタンパク質の7キャラクタリゼーション
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エラスチン様反復を含む融合タンパク質を設計するには、全体のエラスチン含有量は、融合タンパク質18の十分大きな部分を維持することが重要です。これは、融合タンパク質構築物は、精製のためにITCを使用するために、そのエラスチン様特性を保持することを保証することです。このセクションで説明AECMタンパク質の設計および配列は、特にTjin らによって研究から採取した。14。この研究では、三AECMタンパク質が正常たpET22b(+)発現ベクターにクローニングしました。シーケンシャル連結は、最初の細胞結合ドメインを挿入することにより、その後、エラスチン反復はpETベクターに挿入結紮から始まりました。最後に、エラスチン反復の最後のセットは、同じ方法を用いて、細胞結合ドメインの末端に挿入しました。組換え遺伝子が正常に構築されているかどうかを確認するには、それぞれの組換えプラスミドは、試験37℃で3時間、XhoIおよびSalIで消化し、C. 図1は、テスト消化後にDNAインサートとベクターのバンドを示しています。 AECMタンパク質のそれぞれ...
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組換えタンパク質工学は、ボトムアップアプローチを用いた新規タンパク質材料を作成するための汎用的な技術です。タンパク質ベースの材料は、目的の用途に応じて調整、複数の機能を有するように設計することができます。によるクローニングおよびタンパク質発現技術の増加発展には、再現性があり、スケーラブルな方法で人工タンパク質の様々なを作成するために、比較的簡単な(かつ費用対効果の高い)となっています。エラスチン様ドメインが精製タグとして機能するだけでなく、機械的特性を付与するために、人工タンパク質の数に組み込まれています。エラスチン様配列を含む人工タンパク質が容易に高価な精製カラムおよび抗体の必要性を排除するITCを用いて精製することができます。
このプロトコルは、AECMタンパク質をコードする組換えプラスミドを構築する手順について説明します。エラスチン様反復をコードする遺伝子は、購入しました。のためにポリペプチドのようなエラスチンのような反復性の高いペプチド配列は、再帰的な方向性ライゲーション(RDL)戦略は22を使用することができるようなクローニング戦略を設計することをお...
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著者は、彼らが競合する金融利害関係がないことを宣言します。
著者らは、文部省のACRFティア1(RG41)からの資金を確認し、南洋理工大学から助成金を起動したいと思います。低く、Tjinは南洋工科大学、シンガポールから研究生奨学金(RSS)によって賄われています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| pET22b (+) | Novagen | 69744 | T7 発現ベクターとアンピシリン耐性 |
| BL21(DE3)pLysS | Invitrogen | C6060-03 | 追加の抗生物質 - クロラムフェニコール |
| イソプロピル-β-D-チオガラクトシド (IPTG) | ゴールド バイオテクノロジー | I2481C | 1 M ストック溶液とオートクレーブ水、導入前に新鮮にしてください。 |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | プラスミド分離キット |
| T4 リガーゼ | ニューイングランド Biolabs | M0202S | |
| アンピシリン | Affymetrix | 11259 | |
| Chloramphenicol | Affymetrix | 23660 | |
| Zymoclean™ ゲル DNA 回収キット | Zymo Research | D4001 | |
| XL10-金株 | アジレントテクノロジー | ズ200315 |
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