このプロトコルは、RNAおよびタンパク質生産合成細胞のボトムアップ調製のための方法、材料、装置およびステップを記述する。合成細胞の内部水質コンパートメントには、脂質二重層内に封入されたS30細菌リセート(すなわち、安定リポソーム)を含み、油中水エマルジョン移動法を用いた。
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方法論記事
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このプロトコルは、RNAおよびタンパク質生産合成細胞のボトムアップ調製のための方法、材料、装置およびステップを記述する。合成細胞の内部水質コンパートメントには、脂質二重層内に封入されたS30細菌リセート(すなわち、安定リポソーム)を含み、油中水エマルジョン移動法を用いた。
合成細胞の構築のためのボトムアップアセンブリアプローチは、細胞模倣環境で細胞プロセスを分離し、調査するための効果的なツールです。さらに、無細胞発現系の開発は、タンパク質の産生、転写、翻訳プロセス(DNA→RNA→タンパク質)を制御された方法で再構成する能力を実証し、合成生物学を活用しています。ここでは、コレステロールが豊富な脂質ベースの巨大なユニラメラ小胞(すなわち、安定したリポソーム)の中に強力な細菌リゼートを産生し、カプセル化する、無細胞発現系を調製するためのプロトコル(すなわち、安定リポソーム)を説明する。プロトコルは、活性細菌リセートの生産を含む合成細胞の成分を調製するための方法を説明し、続いて、油中水エマルジョン移動法に基づく合成細胞の詳細なステップバイステップ調製を行う。これらは、タンパク質の異なるタイプを生産するための高い汎用性を持つシンプルで手頃な方法で合成細胞の数百万の生産を容易にします。得られた合成細胞は、単離された環境でのタンパク質/RNA産生および活性を調査し、指示された進化において、また体内での治療タンパク質のオンデマンド生産のための制御薬物送達プラットフォームとして使用することができる。
合成細胞は、人工的な細胞様粒子であり、生細胞の1つまたは複数の機能を模倣し、例えば、分裂する能力、膜相互作用を形成し、遺伝コード11、2、32,3に基づいてタンパク質を合成する。無細胞タンパク質合成(CFPS)システムを包み込んだ合成細胞は、DNAテンプレートの変化に伴い様々なタンパク質やRNA配列を産生する能力により、高いモジュール性を有します。タンパク質産生の現在のアプローチに代わる魅力的な代替手段を提示するCFPSシステムは、細胞リ,セート、精製成分、または合成成分に基づいており、リボソーム、RNAポリメラーゼ、アミノ酸およびエネルギー源(例えば、3-ホスホグリセリン酸およびアデニンリン酸)4、5、6、7、9、9、リソソー4,5ムなどのタンパク質合成に必要なすべての転写および翻訳機械を含む。6,7,8,9脂質小胞内のCFPSシステムのカプセル化は、生細胞10に依存することなく、タンパク質の簡単かつ効率的な生産を可能にする。さらに、このプラットフォームは、天然細胞内で分解し得るペプチドの合成、生きている細胞に毒性のあるタンパク質の産生、および非天然アミノ酸11、12,12を有するタンパク質を改変することを可能にする。合成細胞は、進化的な視点から細胞の生命を可能にするために必要な最小限の細胞成分を調査する研究目的のモデルとして使用されてきた11,13。合成細胞は、遺伝的回路の構築と実装、および指向進化14、15、1615,16のモデルとしても使用されてきた。14他の研究は、天然細胞の生物活性を模倣する合成細胞の能力に焦点を当て、糖尿病患者におけるベータ細胞などの損傷した天然細胞を置き換えることを目指している17。さらに、これらのCFPSカプセル化合成細胞が種々の治療用タンパク質を産生する能力は、臨床使用18に組み込まれる可能性を示している。
ここでは、脂質小胞に封入されたCFPSシステムに基づくRNAおよびタンパク質産生合成細胞の産生のためのボトムアップラボスケールプロトコル(図1)について説明する。これは、生体内での治療タンパク質薬のオンサイト生産のための新規薬物送達システムとしての合成細胞プラットフォームの潜在的な使用を示す19。これまでの研究では、CFPS反応と細胞ライセート調製プロセス44、8、208,20の最適化を調査してきました。また、細胞サイズのリポソーム製剤としては、マイクロ流体およびポリマーベースの液滴安定化法21,22,23など21,22,、リポソームの脂質組成24,25,2625,26にも異なる手法24が適用されている。23提示されたプロトコルにおいて、合成細胞は、油中の水中のエマルジョン移動法を用いて製造され、カプセル化プロセスは低温(<4°C)5、10、24、27、28で行われる。5,10,24,27,28これらの穏やかな条件は、分子機械、すなわちリボソームおよびタンパク質27、29、3029,30の生体機能完全性を保持27するために好ましいことが判明している。粒子の脂質組成は、コレステロールと1-パルミトイル-2-オレロイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(POPC)の両方からなる。第1は、すべての哺乳動物細胞膜に見られ、膜の安定性、剛性および透過性の低下に不可欠であり、後者は哺乳動物リン脂質組成物11、13,13を模倣する。細胞転写および翻訳分子機械はBL21(DE3)大腸菌(大腸菌)株から抽出され、PAR1219プラスミドで過剰発現するT7 RNAポリメラーゼで形質転換され、CFPSの効力とタンパク質合成を増加させる。このシステムは、診断および治療用タンパク質を産生するために使用されており、インビトロおよびインビボ19,31,31の最大66 kDaの分子量を有する。以下のプロトコルは、合成細胞系の生産のための簡単かつ効果的な方法を提供し、タンパク質合成に関連する広範な基本的な問題に本質的に対処することができ、また、薬物送達用途に利用することができる。
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注: 完全な合成セルの生産プロトコルの図を図 1に示します。ユーザーのニーズに応じて、プロトコルのタンパク質発現(セクション3.2)および合成細胞形成(セクション4)部分も独立して(いくつかの適応を伴って)行うことができる。
1. S30-T7のリセートの調製
2. 油脂溶液中の脂質の調製
3. 外、内および供給の解決の準備
4. 合成細胞の調製
注:合成細胞の100 μLの調製のために、次のボリュームが調整されます。
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脂質小胞内にBL21大腸菌を用いたS30-T7 CFPSシステムをカプセル化することにより、合成細胞の調製のためのプロトコルを提示する。各段階のイメージを含む準備プロセスの概略説明を図 2に示します。合成細胞調製プロセスの成功は、各段階の適切な性能に依存し、異なるパラメータによって影響を受けます。プロトコルは、特定のタンパク質の生産に対応するように調整する必要があります。
T7プロモーター下のモデルタンパク質スーパーフォルダーグリーン蛍光タンパク質(sfGFP)とレニラルシファーゼを発現するプラスミドをCFPSバルク反応および合成細胞に導入し、ウェスタンブロット、フローサイトメトリー、顕微鏡検査および分光法を含む異なる方法を用いてタンパク質産生を評価した(図3)。ウェスタンブロット分析によるsfGFP-His6タグ付きタンパク質(〜27kDa32)の生産の検証を図3...
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このプロトコルは、大量のタンパク質産生合成細胞を製造するための簡単で手頃な方法を導入しています。アクティブセルの収量は、いくつかの重要なステップに重点を置いて、プロトコルの慎重かつ正確な実行に依存しています。この方法のライセート調製部では、菌体のリセート中に十分な量のタンパク質を得るためには、細胞のリシス前に適切な細菌密度に到達することが不可欠である。第二に、リシスプロセスは、タンパク質活性を維持するために液体窒素で速やかに凍結し、4°Cで行われるべきである。さらに、このプロトコルでは、T7 RNAポリメラーゼを発現するpAR1219プラスミドで形質転換した大腸菌BL21(DE3)細胞を用いた。異なる菌株が使用される場合、RNAポリメラーゼおよびリボソームの満足のいく量に達するために、ライセート濃度の変化が必要となる場合があります。同じ細菌株が使用される場合でも、異なるライゼート生産物は、バッチからバッチへの変動性を有し得る。
小胞生産セクションには、いくつかの重要な手順も含まれています。脂質の可溶化と鉱物油からのクロロホルムの除去は、油中水エマルションを確立する...
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著者らは開示するものは何もない。
この作業は、ERC-STG-2015-680242によってサポートされました。
著者らはまた、テクニオン統合癌センター(TICC)の支援を認める。ラッセル・ベリーナノテクノロジー研究所;ローリーI.ローキー生命科学・工学センター;カミングラントのためのイスラエル経済省(52752);イスラエル科学技術宇宙省 - 主任科学者のオフィス (3-11878);イスラエル科学財団(1778/13,1421/17);イスラエル癌協会(2015-0116);GIFヤング助成金のための科学研究開発のためのドイツ・イスラエル財団(I-2328-1139.10/2012);キャリアインテグレーション補助金のための欧州連合FP-7 IRGプログラム(908049)。リン脂質研究センター助成金;ローゼンブラットがん研究財団、マラットファミリー財団助成金;アンガーファミリー財団。A.シュレーダーはアロンとタウブフェローシップを認めています。O. アディールはシャーマンとグットヴィルトのフェローシップを認める。G.チェンはシャーマン・フェローシップを認める。N.クリンスキーは、ロスチャイルド・カイザリア財団のアリアン・ド・ロスチャイルド女性博士課程を認めています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| A. ステップ1に必要な試薬(S30-T7ライセート調製) | |||
| 大腸菌 BL21(DE3) | NEB | C2527 | 大腸菌BL21(DE3)。 |
| pAR1219 | Sigma | T2076 | 変換用TargeTronベクトル。 |
| 50 mg/mL アンピシリン | Sigma | A9518 | -20°C で保存。 |
| 10 g/L バクトトリプトン | BD バイオサイエンス | 211705 | Luria Bertani (LB) 寒天培地 (1.5%) プレートの調製用。 |
| 10 g/L 塩化ナトリウム (NaCl) | Bio-Lab | 19030591 | |
| 5 g/L バクト酵母抽出物 | BD Bioscience | 212750 | |
| 15 g / L寒天培地 | ク | 1.01614.5007 | |
| 50 &g/mL アンピシリン | Sigma | A9518 | |
| 10 g/L バクトトリプトン | BD バイオサイエンス | 211705 | Luria Bertani(LB)培地(20 mL)の調製用。 |
| 10 g/L 塩化ナトリウム (NaCl) | Bio-Lab | 19030591 | |
| 5 g/L バクト酵母抽出物 | BD Bioscience | 212750 | |
| 50 &マイクロ;g/mL アンピシリン | Σ | A9518 | |
| 12 g/L バクトトリプトン | BD バイオサイエンス | 211705 | Terrific Broth(TB)培地(1L)の調製用。 |
| 24 g/L バクト酵母エキス | BD Bioscience | 212750 | |
| 4% (v/v) グリセロール無水 | Bio-Lab | 7120501 | |
| 2.32 g/L K2HPO4 | スペクトル化学 | P1383 | |
| 12.54 g/L KH2PO4 | スペクトル化学 | P1380 | |
| 50 マイクロ;g/mL アンピシリン | Sigma | A9518 | |
| 100 mM イソプロピル &β;-D-1-チオガラクトピラノシド (IPTG)の原液 | INALCO | INA-1758-1400 | 0.2 & micro を使用してろ過。m親水性PVDFシリンジフィルター。 |
| 0.1 Mジチオスレイトール(DTT)の原液 | TCI | D1071 | 0.2 µ を使用してフィルタリング。m親水性PVDFシリンジフィルター。 |
| pH = 7.4 の 10 mM トリス酢酸 | Sigma | T1503 | S30 ライセート緩衝液 (1.5 L) |
| 14 mM 酢酸マグネシウム | Merck | 1.05819.0250 | |
| 60 mM 酢酸カリウム | Carlo Erba | 470147 | |
| 1 mM DTT | TCI | D1071 | |
| 0.5 mL/L 2-メルカプトエタノール | Sigma | M6250 | |
| ステップ 1 に必要な機器 | |||
| 100 mL 滅菌三角フラスコ | Thermo Scientific | 50-154-2846 | 2 フラスコ |
| 2 L 滅菌三角フラスコ(バッフル付き) | KIMAX-KIMBLE | 25630 | フラスコ 2 |
| フラスコ フロアインキュベーターシェーカー | MRC | TOU-120-2 | ラボ用シェーカーインキュベーター 450x450mm、400rpm、70 °C |
| 遠心分離機 | Thermo Scientific | 75004270 | (75003340) - Fiberlite F10-6 x 100 LEX Fixed-Angle Rotor. 少なくとも13,000 x gを有効にする必要があります。 * 4°Cに予冷。 |
| 高圧ホモジナイザー | AVESTIN | EmulsiFlex-C3 | 4°Cに予冷。 |
| -80oC冷凍庫 | SO-LOW | U85-18 | |
| 滅菌済み1.5mLプラスチックチューブ | エッペンドルフ | 30120086 | できれば-20°Cに予冷してください。 |
| 分光光度計 | TECAN | IN-MNANO | Infinite M200 pro |
| 96ウェル透明プレート | Thermo Scientific | 167008 | |
| 滅菌済みメスシリンダー | コーニング | ||
| 滅菌済み遠心分離管 | エッペンドルフ | 30120086 | -20°Cに予冷することが望ましいです。 |
| 滅菌されたピペットチップ | コーニング | できれば-20°Cに予冷されています。 | |
| 砕いたアイスバケツ | Bel-Art | M18848-4001 | |
| 小型液体窒素タンク | NALGENE | 4150-4000 | |
| B. ステップ3に必要な試薬(油溶液中の脂質調製): | |||
| 1-パルミトイル-2-オレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(POPC) | リポイド | 556400 | 粉末 |
| コレステロール | シグマ | C8667 | 粉 |
| クロロホルム | バイオラボ | 3082301 | |
| 鉱油 | シグマ | M5904 | |
| ステップ2<に必要な軽油装置 /ストロング> | |||
| ボルテックスミキサー | 科学産業 | SI-0256 | |
| ヒーティングブロック | TECHNE | FDB03AD | 80°C. に予熱 制御された温度を有効にする必要があります。 |
| 2 mLスクリューネックガラスバイアルCSI | Analytical Innovations | VT009M-1232 | 大規模な場合は、50 mLのファルコンを使用し、ロータリーエバポレーターを使用してクロロホルムを蒸発させます。 |
| 9mmスクリューキャップ | CSI 分析イノベーション | C395R-09LC | |
| strong>C. ステップ3(内部および供給反応混合物)に必要な試薬: | |||
| HEPES | Spectrum | H1089 | 1 M HEPES-KOH (pH = 8) - pH緩衝液 |
| 水酸化カリウム (KOH) | Frutarom | 55290 | |
| 1 M 酢酸マグネシウム | メルク | 1.05819.0250 | コーファクターと負電荷安定器。 |
| 1 M 酢酸カリウム | Carlo Erba | 470147 | 負電荷安定剤。 |
| 5.2 M 酢酸アンモニウム | メルク | 1.01116.1000 | 負電荷を安定させます。 |
| 50% (w/v) ポリエチレングリコール 6000 (PEG) | Merck | 8.07491.1000 | 高分子の濃度を増加させます。 |
| 0.5 M 3-ホスホグリセリン酸 (3-PGA) | Sigma | P8877 | 二次エネルギー源。 |
| 50 mM アミノ酸混合物 I | Sigma | LAA21-1KT | アミノ酸添加物. 含まれるもの: アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、プロリン、セリン、スレオニン、バリン |
| 50 mM アミノ酸混合物 II | Sigma | LAA21-1KT | アミノ酸添加物. 含まれるもの:トリプトファン、フェニルアラニン、チロシンの3つの天然アミノ酸のそれぞれ50 mM。 |
| 100 mM アデニン三リン酸 (ATP) | Sigma | A3377 | ヌクレオチドおよびエネルギー源。 |
| 50 mM グアニジン三リン酸 (GTP) | Sigma | G8877 | ヌクレオチドおよびエネルギー源。 |
| 100 mM ウリジン三リン酸 (UTP) | ACROS ORGANICS | 226310010 | ヌクレオチド添加剤。 |
| 100 mM イソプロピル &β;-D-1-チオガラクトピラノシド (IPTG) | INALCO | INA-1758-1400 | 遺伝子発現誘導. |
| 2 M ショ糖 | J.T. Baker | 1933078 | 密度勾配の生成。 |
| 2 M Glucose | Sigma | 16301 | 密度勾配の生成。 |
| H2O 超純水 (UPW) | Bio-Lab | 2321777500 | DNase &RNase free |
| S30-T7 lysate | _ | _ | ステップ 1 で調製しました。 転写のソース&translation components. -80 °c、使用直前に砕けた氷の上で解凍します。 |
| 選択されたDNAプラスミドのストック | _ | _ | 要求されたタンパク質の配列が含まれています. T7プロモーター |
| <ストロング>D.ステップ4(合成細胞の準備)に必要な機器 | |||
| フロアインキュベーターシェーカーまたはサーモ | ミキサーMRC | TOU-120-2 | シェーカーインキュベーター450x450mm、400rpm、70°;C |
| PHMTグラントバイオ | PSC18 | サーモミキサー | |
| 遠心分離機 | Thermo Scientific | 75004270 | (75003629) - TX-400 4 x 400mL スイングバケット ローター. 15 mL サイズのチューブに適しています。 できればスイングバケット. 少なくとも 1000 x g. 4°Cに予冷する必要があります。 |
| テーブル遠心分離機 | Thermo Scientific | 75002420 | (75003424) - 24 x 1.5/2.0mLローター、ClickSeal. 付き Eppendorf vials. に適しています 4°Cに予冷されています。 |
| ボルテックスミキサー | サイエンティフィックインダストリー | SI-0256 | |
| 砕氷バケツ | Bel-Art | M18848-4001 | |
| 2 mL スクリューネックガラスバイアル | CSI Analytical Innovations | VT009M-1232 | |
| 滅菌済み 15 mL プラスチックチューブ | Thermo Scientific | 339651 | |
| 滅菌済み 1.5 mL プラスチックチューブ | Eppendorf | 30120086 | |
| 滅菌済みピペットチップ | コーニング | オートクレーブ滅菌済み。 |
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