このプロトコルは、合成細胞の構築に使用される無細胞タンパク質合成(CFPS)システムについて説明しています。主要なステージの概要と、さまざまなマイクロコンパートメントでの代表的な結果を示します。このプロトコルは、合成細胞コミュニティの多様な研究室のベストプラクティスを確立し、合成細胞開発の進歩を促進することを目的としています。
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方法論記事
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このプロトコルは、合成細胞の構築に使用される無細胞タンパク質合成(CFPS)システムについて説明しています。主要なステージの概要と、さまざまなマイクロコンパートメントでの代表的な結果を示します。このプロトコルは、合成細胞コミュニティの多様な研究室のベストプラクティスを確立し、合成細胞開発の進歩を促進することを目的としています。
無細胞タンパク質合成(CFPS)システムは、合成細胞のボトムアップアセンブリを促進するために広く採用されています。セントラルドグマの中核となる機械のホストとして機能し、多様な人工細胞模倣システムの統合と組み立てに最適なシャーシとして立っています。合成細胞の製造に頻繁に使用されているにもかかわらず、特定のアプリケーション向けにカスタマイズされた堅牢なCFPSシステムを確立することは、依然として重要な課題です。この手法論文では、合成細胞の構築に日常的に採用されているCFPSシステムの包括的なプロトコルを紹介します。このプロトコールには、細胞抽出物、テンプレート調製、蛍光レポータータンパク質を利用したルーチン発現の最適化など、CFPSシステムの準備における主要な段階が含まれます。さらに、CFPSシステムを単分子膜液滴、ダブルエマルジョンベシクル、担持脂質二重膜の上にあるチャンバーなど、さまざまなマイクロコンパートメント内にカプセル化することにより、代表的な結果を示します。最後に、これらのCFPSシステムを異なる環境で成功裏に組み立てるために必要な重要な手順と条件を解明します。私たちのアプローチにより、拡大を続ける合成細胞コミュニティのさまざまな研究所間で優れた作業慣行が確立され、合成細胞開発の進歩が加速することを期待しています。
合成細胞または人工細胞の合成は、学際的研究の非常に著名な分野として浮上しており、合成生物学、化学、生物物理学の領域全体の科学者から大きな関心を集めています。これらの科学者は、最小の生細胞1,2,3を構築するという共通の目標によって団結しています。この分野の急速な成長は、組換えDNA操作4、生体模倣材料5、無細胞タンパク質合成(CFPS)法7を含むコンパートメント化のための微細加工技術6などの重要な技術の大幅な進歩と歩調を合わせています。CFPSシステムは、転写と翻訳に不可欠な細胞機構を包含し、多機能人工細胞の開発と統合のための基本的なフレームワークを提供します。
CFPS技術は合成細胞のアセンブルに頻繁に使用されますが、さまざまな合成細胞システムのアセンブル化のための堅牢でカスタマイズされたCFPSシステムの開発は依然として複雑な課題です。現在、原核生物と真核生物の両方のモデル生物8に由来する多数のCFPSシステムが利用可能であり、それぞれが合成細胞合成の特定のアプリケーションに特化したものである。CFPSシステムは、転写と翻訳における中心的な役割を超えて、その主要なコンポーネントと関連する準備手順が異なります。細胞抽出物、RNAポリメラーゼ、テンプレート調製方法、バッファー組成の違いなど、これらのバリエーションは、主に、タンパク質収量を最大化するためにシステムを集中的に最適化した研究グループが追求する明確な開発軌道によるものです。
CFPSシステムのさまざまなコンポーネントの中で、細胞抽出物は転写と翻訳のための重要な酵素プールであり、したがってCFPSパフォーマンスの重要な決定要因です9。大腸菌(大腸菌)ベースのCFPSは、最もよく理解されている原核生物としての地位により、最も一般的に利用されているシステムです。さらに、上田氏の研究グループは、個別に精製されたタンパク質とリボソームからなる完全再構成CFPSシステム「PURE10」を開発しており、特に明確なバックグラウンドを必要とするアプリケーションに適しています。今日、大腸菌ベースのCFPSシステムでさえ、特にextracのソース株11と調製方法12,13、RNAポリメラーゼ14,15、エネルギー源16,17、および緩衝システム18,19の点で多様化しています。最も頻繁に使用される株には、A1920、JM10921、BL21 (DE3)22、Rossetta223などのK12およびB株の派生株と、それらの遺伝子組換え株が含まれます。
最初に、RNaseおよびプロテアーゼ活性が低下した 大腸菌 株が選択され、mRNAの安定性と新たに合成された組換えタンパク質の安定性が向上し、最終タンパク質収量が増加しました24。続いて、 大腸菌 抽出物は、上記の翻訳後修飾を達成するために、グリコシル化25、リン酸化26、および脂質化27を含む特定の翻訳後修飾を促進するように操作されました。さらに、分子シャペロン28 や化学安定剤などの一連の添加剤が組み込まれており、標的タンパク質の折り畳みを助け、CFPSシステムの多様化に貢献しています。バクテリオファージT7 RNAポリメラーゼは、その高い処理能力で知られており、主に転写に使用されていますが、SP629 などの他のポリメラーゼも利用されています。 大腸菌 内在性RNAポリメラーゼは、シグマ因子30を活用した遺伝子回路のプロトタイピングに適応しています。最後に、様々なエネルギー前駆体31、32、33 、および異なる塩および緩衝成分19、34、35 が、生産性を向上させるために体系的に最適化されている。
CFPSシステム自体に加えて、カプセル化方法とコンパートメント化材料も、合成細胞の組み立てを成功させるために不可欠です。CFPS反応をうまくカプセル化するために開発されたさまざまなシステムには、界面活性剤で安定化された水滴/油滴、脂質/ポリマー、およびそれらのハイブリッド単層小胞(直径50 nmから数μmの範囲)、および平面支持脂質二重膜が含まれます。しかし、CFPSシステムの複合体分子含有量により、カプセル化の成功率は特定のケース、特に小胞の形成に依存します。CFPSのカプセル化の成功率および効率を改善するために、液滴および小胞36の両方の形成を促進するための種々のマイクロ流体チップが開発されてきた。それにもかかわらず、追加のチップとデバイスを確立する必要があります。
このプロトコルは、組換えタンパク質生産に一般的に使用される宿主であるBL21(DE3)株を利用した 大腸菌 CFPSシステムを示しています。このプロトコールには、細胞抽出物の調製、テンプレートの調製、および蛍光レポータータンパク質を使用した標準発現の最適化の詳細な説明が含まれています。さらに、CFPSシステムを、単層液滴、ダブルエマルジョンベシクル、支持脂質二重層の上にあるチャンバーなど、さまざまなマイクロコンパートメント内にカプセル化することによって達成される例示的な結果を示します。最後に、これらのCFPSシステムを異なる環境状況で成功裏に確立するために不可欠な重要な手続き要素と必要条件について詳しく説明します。
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1.抽出物の準備
2. T7 RNAポリメラーゼ
3. バッファーの調製
4. テンプレートの設計と準備
5. Mg2+ およびK+ の最適化
6. カプセル化
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細胞抽出物とT7 RNAポリメラーゼの新しいバッチごとに、Mg2+ とK+ の両方の濃度の基本的なスクリーニングを実施して、CFPSシステムの最適な性能を確保することをお勧めします。スーパーフォルダーGFPの蛍光は、 図1A、Bに示すように、さまざまな条件下でのCFPSシステムの全体的な収量の指標として役立ちます。さらに、異なるコンパートメント間でのCFPSシステムの並行収率比較を 図1Cに示し、スクロース46の影響によりGUVがわずかに減少するものの、カプセル化されたCFPSシステムで一貫した性能を示しています。さらに、CFPS反応は、液滴(図2)、GUV(図3)、およびSLB上(図4)にカプセル化されることに成功し...
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この原稿では、油中水滴、GUV、SLBなど、合成細胞プラットフォーム全体のさまざまなマイクロコンパートメントで使用するために設計された改変無細胞タンパク質合成(CFPS)システムの概要を説明しています。私たちは、タンパク質中心の合成細胞システムを構築するためのソース抽出物として、標準的な大腸菌組換えタンパク質発現宿主株であるBL21(DE3)を利用しました。このアプローチにより、異なるコンパートメント間で約 0.5 mg/mL のタンパク質が得られました。他のカスタマイズされた抽出源株を使用することもできますが、これらのシステムは主に特定の種類のタンパク質または代謝活性に最適化されており、一般的なタンパク質発現には最適ではない可能性があります。近年の定量的質量分析の進歩により、細胞溶解物48,49のプロテオミクス解析に関するパイロット研究が、特にさまざまな調製条件下で可能になりました。
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著者らは、この論文で報告された研究に影響を与えたと思われる可能性のある既知の競合する金銭的利益や個人的な関係がないことを宣言します。
M. Y.は、中国江蘇省の大学院研究実践イノベーションプログラムからの資金提供を認めています(助成金番号。KYCX22_2803)。L.K.は、中国江蘇省高等教育機関自然科学研究(助成金番号17KJB180003)、中国江蘇師範大学自然科学財団(助成金番号17XLR037)、中国江蘇省高等教育機関の優先学術プログラム開発、および中国江蘇省特任教授プログラムの支援に感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine(DOPC) | Avanti | 850375P | |
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (ナトリウム塩)(DOPS) | Avanti | 840035P | |
| 1,4 dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | 1.11474 | |
| 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) | Avanti | 850457P | |
| 3,5-サイクリックAMP(cAMP) | Sigma-Aldrich | A9501 | |
| 50 mLチューブ | Eppendorf | Eppendorf Tubes BioBased | |
| 50%過酸化水素 | Sigma-Aldrich | 516813 | |
| Acetate | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| 寒天粉末 | Sigma-Aldrich | 05040 | |
| アラニン | Sigma-Aldrich | A4349 | |
| Amicon Stirred Cells | MerckMillipore | UFSC05001 | |
| Ammonium acetate (NH4OAc) | Sigma-Aldrich | A7262 | |
| Arginin | Sigma-Aldrich | A4474 | |
| Asparagin | Sigma-Aldrich | A0884 | |
| Aspartat | Sigma-Aldrich | A5474 | |
| ATP | ロシュ | 11140965001 | |
| Atto 488 DOPE | Sigma-Aldrich | 67335 | |
| Atto 647N DOPE | Sigma-Aldrich | 42247 | |
| バッフル三角フラスコ | シュニウ | 250 mL, 1000mL | |
| ウシ血清アルブミン (BSA) | ロシュ | 10711454001 | |
| 遠心分離管 | エッペンドルフ | エッペンドルフ チューブ 3810X | |
| 遠心分離機ラック | エッペンドルフ | 0030119819 | |
| 化学発光および落射蛍光イメージングシステム | Uvitec | Alliance Q9 Advanced | |
| Chloroform | Sigma-Aldrich | 288306 | |
| 共焦点レーザー走査顕微鏡 (LSM) | ZEISS | LSM 780 | |
| Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Fisher Scientific | C10283 | |
| Coverslip | Thermo Scientific | Menzel BB02400500A113MNZ0 | |
| クレアチンキナーゼ (CK) | Roche | 10127566001 | |
| クレアチンリン酸 (CP) | Sigma-Aldrich | 10621714001 | |
| 培養皿 | Huanqiu | 90 mm | |
| Cystein | Sigma-Aldrich | C5360 | |
| Cytidine 5'-三リン酸二ナトリウム塩(CTP) | アラジン | C101487 | |
| 透析膜 | スペクトル | 標準RCチューブMWCO:12-14 kD | |
| E.Z.N.A.サイクルピュアキット | オメガバイオテック | D6492-01 | |
| 電気加熱常温耕運機 | Yiheng機器 | DHP-9602 | |
| エチレンジアミン四酢酸(EDTA) | バイオシャープ | ||
| 蛍光板リーダー | BioTek | Synergy 2 | |
| フッ素化油 | 蘇州 CChip 科学機器 | 2%HFE7500 | |
| フォリン酸 | Sigma-Aldrich | 47612 | |
| フレンチプレス | G.Heinemann | HTU-DIGI-Press | |
| グルコース | Sigma-Aldrich | G7021 | |
| グルタマット | Sigma-Aldrich | G5667 | |
| グルタミン | Sigma-Aldrich | G5792 | |
| グリセロール | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| グリシン | Sigma-Aldrich | G7126 | |
| グアノシン 5'-三リン酸ナトリウム塩水和物(GTP) | ロシュ | 10106399001 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| HiPrep Q FF 16/10 | Cytiva | 28936543 | |
| ヒスチジン | Sigma-Aldrich | H6034 | |
| イソロイシン | Sigma-Aldrich | I5281 | |
| イソプロピル-&β;-D-チオガラクトピラノシド (IPTG) | Sigma-Aldrich | I5502 | |
| K2HPO4 | Sigma-Aldrich | P8281 | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | |
| Leucin | Sigma-Aldrich | L6914 | |
| Lysin | Sigma-Aldrich | L5501 | |
| 酢酸マグネシウム四水和物 (Mg(OAc)2 ) | Sigma-Aldrich | M5661 | |
| 塩化マグネシウム(MgCl2) | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| メチオニン | Sigma-Aldrich | M8439 | |
| 微量遠心分離機 | Eppendorf | 5424 R | |
| 鉱物油 | Sigma-Aldrich | M5904 | |
| Mini-PROTEAN Tetra Cell Systems | Bio-Rad | 1645050 | |
| Multipurpose Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | |
| NaN3 | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| 核酸 &タンパク質UVアッセイ測定 | IMPLEN | NanoPhotometer N60 | |
| NucleoBond Xtra Maxi kit for transfection-grade plasmid DNA | MACHEREY-NAGEL | 740414.5 | |
| Nunc-Immuno MicroWell 96ウェルポリスチレンプレート | Sigma-Aldrich | P8616 | |
| PCR Thermal Cycler | Eppendorf | Mastercycler nexus | |
| Peptone | Sigma-Aldrich | 83059 | |
| フェニルラニン | Sigma-Aldrich | P8740 | |
| ホスホエノールピルバット (PEP) | GLPBIO | GC44635 | |
| PMSF | Sigma-Aldrich | PMSF-RO | |
| ポリエチレングリコール 8000 (PEG 8000) | Sigma-Aldrich | 89510 | |
| 酢酸カリウム (KOAc) | Sigma-Aldrich | P5708 | |
| 塩化カリウム (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| グルタミン酸カリウム(K-グルタミン酸) | Sigma-Aldrich | G1501 | |
| 水酸化カリウム(KOH) | Sigma-Aldrich | 221473 | |
| Prolin | Sigma-Aldrich | P8865 | |
| ピルビン酸キナーゼ(PK) | Sigma-Aldrich | P9136 | |
| Serin | Sigma-Aldrich | S4311 | |
| シェーカー | Zhichushakers | ZQZY-AF8 | |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| 水酸化ナトリウム(NaOH) | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| ショ糖 | アラジン | S112226 | |
| 硫酸 | Sigma-Aldrich | 339741 | |
| シリンジフィルター | Jinteng | 0.45 μm | |
| 試験管 | Shuniu | 20 mL | |
| TGX FastCast アクリルアミドキット, 12% | Bio-Rad | #1610175 | |
| ThermoMixer | Eppendorf | ThermoMixer C | |
| Threonin | Sigma-Aldrich | T8441 | |
| Tris base | Sigma-Aldrich | V900483 | |
| tRNA | Roche | 10109550001 | |
| トリプトン | Sigma-Aldrich | T7293 | |
| トリプトファン | Sigma-Aldrich | T8941 | |
| チロシン | Sigma-Aldrich | T8566 | |
| UTP 三ナトリウム塩 (UTP) | アラジン U100365 | ||
| 循環水システム付き真空ポンプ | 鄭州 万里の長城 科学 産業および貿易 Co.Ltd | SHB-![]() | |
| Valin | Sigma-Aldrich | V4638 | |
| Vortex Mixers | Kylin-Bell | Vortex QL-861 | |
| 浄水システム | MerckMillipore | 直接超純水(タイプ1) | |
| 酵母エキス | Sigma-Aldrich | 70161 | |
| &β;-メルカプトエタノール | Sigma-Aldrich | 444203 |
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